Mszaki jako bioindykatory

Jako wskaźnik biologiczny,

bioindykator

, rozumie się

„organizm lub grupę organizmów,

które – ze względu na parametry

biochemiczne, cytologiczne,

fizjologiczne, etologiczne i

ekologiczne

– w sposób

wiarygodny charakteryzują stan

ekosystemów i jak najwcześniej

wykazują zmiany wywołane przez

czynniki naturalne bądź sztuczne.”

Bioakumulacja to mechanizm

absorpcji, który ma miejsce w

ścianach komórkowych i

zewnętrznych błonach

komórkowych mszaków.

Możliwa jest również

absorpcja

wewnątrzkomórkowa, która

prowadzi do zmagazynowania

metali w komórkach mszaków.

Historia mchów jako bioindykatorów

Połowa lat 70-tych

pierwsze naukowe wykorzystanie

mszaków (Pleurozium schreberi, Hylocomium splendens) jako
wskaźników zanieczyszczenia środowiska. Ocena stanu
zanieczyszczenia polskich parków narodowych metalami ciężkimi
(Grodzińska 1978, 1980).

Połowa lat 80-tych

Polska przystępuje do europejskiego

programu „Heavy Metals in European Mosses”- monitoring
zawartości metali ciężkich w środowisku. Co 5 lat prowadzone
są badania zawartości MC a ich opracowania przekazywane do
centrum programowego w Wielkiej Brytanii. Z opracowań
tworzy się szczegółowe mapy zanieczyszczeń metalami
ciężkimi dla całej Europy.

Lata 90-te

–

Badania właściwości bioindykacyjnej mchów na

dalekiej północy Spitsbergenie (Grodzińska i in. 1999), w okolicach
Nowosybirska (Grodzińska i in. 1991(1995), a także w obszarach
antarktycznych (Szarek 1990).

Wskaźnikami jakich zanieczyszczeń są

mchy…?

Metale ciężkie

Cd, Cu, Ni, Pb,

Zn, Cr, Ba, Co, Li,

V, Al, Fe, Mn.

Radionuklidy:

mechanizmy bioakumulacji
są podobne jak w przypadku

metali.

Ra-226 Ra-228

Czynniki środowiskowe powodujące zmiany

poziomu bioakumulacji metali w wodach to :

• pH,
• temperatura,
• nasłonecznienie,
• pora roku,
• stężenie metali w środowisku,
• konkurencja pomiędzy metalami,
• obecność zawiesiny mineralnej i organicznej,
• prędkość nurtu rzeki/potoku

„Przyroda nie zna nagrody ni kary, zna tylko konsekwencje”

R. Ingersoll

Właściwości bioindykacyjne mszaków

Budowa morfologiczna

– brak kutikuli i epidermy

sprawiają iż komórki mszaków są bezpośrednio
narażane na działanie zanieczyszczeń.

Termin występowania (ekspozycja) – są

organizmami całorocznymi więc ich czas
ekspozycji wynosi cały rok co przekłada się na ich
biokumulacje w organizmie.

Rozmieszczenie

– mszaki zasiedlają

wszystkie kontynenty i środowiska na globie.
Spotykamy je w wodzie na lądzie oraz w
miejscach o ekstremalnych wymaganiach
ekologicznych. Są roślinami pionierskimi
zasiedlającymi środowiska nie zdatne dla innych
roślin.

Komórki przewodzące

Komórki wzmacniające

Komórki wodne (tzw. retortowe)

Fot. Mszar nastroszony (Paludella squarrosa)

Liczebność – występują w środowisku w

bardzo liczebnych populacjach, gromadzących
na małym areale tysiące taksonów.

Cykl życiowy – większość gatunków

mszaków to organizmy wieloletnie. Nie
zamierają one na zimę tylko przyrastają
corocznie na długość Np. Sphagnum.

Konkurencyjność gatunkowa – wśród

mchów nie obserwujemy konkurencyjności w
obrębie gatunków, co świadczy o tym iż jeden
gatunek nie wypiera drugiego z tej samej niszy

ekologicznej.

Odporność – mchy w wyniku działania

zanieczyszczeń nie obumierają, ( tak jak mamy
odczynienia w przypadku porostów) tylko
akumulują je w swoich tkankach.

„...gatunki mogą pełnić rolę wskaźników biologicznych jeśli ich autekologia: rozwój

osobniczy, dynamika populacji są dobrze poznane.”

Wiegleb (2002)

Sposoby badania mszaków pod katem zmian

wywołanych zanieczyszczeniami:

Stosunek chlorofilu do feofityny

(będącej cząsteczką chlorofilu

pozbawionej centralnego atomu magnezu) oznaczany D665/D655a, jest
przydatną metodą szacunkowej oceny globalnej jakości wód. Jest on
wskaźnikiem stresu fizjologicznego u mszaków wodnych oparty na rozpadzie
chlorofilu polegającym na utracie atomu magnezu i w wyniku tego powstaniu
feofityny

W skali komórkowej,

przedmiotem badań są również

ruchy jonowe zasadniczych

elementów, a mianowicie utrata

potasu, magnezu i wapnia.

Strata potasu jest wskaźnikiem

wzrostu przepuszczalności

błony komórkowej, co pociąga

za sobą zmiany jej budowy.

Rys. Utrata jonów zasadniczych w
wyniku działania metali ciężkich

Obecnie do oceny wód

używa się

współczynników takich
jak:

Wskaźnik
zanieczyszczenia

poszczególnymi
metalami

(oparty o bioakumulację
w mchach)

Wskaźnik
zanieczyszczenia

mieszaniną metali

(oparty na akumulacji
mieszaniny metali).

Przykłady badań:

Reakcje biochemiczne u mchu wodnego

Fotinalis antipyretica

obecność

stwierdzone na podstawie fluorescencji chlorofilu i

poziomu białka.

Niemieccy naukowcy podjęli
się zbadania reakcji
biochemicznych u mchu
wodnego

Fotinalis

antipyretica

na obecność

na podstawie

fluorescencji chlorofilu i
poziomu białka. Reakcje na
te metale zostały
przeanalizowane w celu
określenia ich fizjologicznego
podłoża.

Fot. Fontinalis antipyretica

Zbadano fluorescencję chlorofilu, umiejscowienie

metali wewnątrz komórek i poziomy protein wywołujące

reakcje u mchu F. antipyretica.

WYNIKI:

Narażenie na oddziaływanie

w ilości 25 µM oraz 100 µM, trwające7 dni,

spowodowało zmniejszenie fluorescencji chlorofilu odpowiednio o 52% i 70%.

Ekspozycja na 100 µM

zmniejszyła fluorescencję o 75%.

W przypadku wszystkich metali użytych w ilościach 25-100 µM, ich absorpcja

wewnątrz komórek mchu wzrastała.

Maksymalne wartości nagromadzenia metali miały miejsce przy 100 µM w

przypadku

Jak wykazała analiza przy użyciu mikroskopu elektronowego, próbki mchu

poddane działaniu 50 µM miedzi przejawiały obniżony poziom siarki w
cytoplazmie oraz jednoczesny wzrost ilości fosforu w wakuolach.

Zaobserwowano również, iż atomy

tworzą związki chylatowe z grupami –

SH i wytrąca się razem z ortofosforanami w wakuolach.

W celu zbadania reakcji

stresowych na obecność

białek, zmierzono

poziom hsp 70

(specjalnych przeciwciał

zwanych ‘heat shock

protein’) wywołany przez

obecność metali

ciężkich

Wynik

We wszystkich próbkach poddanych działaniu metali ciężkich, ilość

hsp 70 wzrastała do około 8 kDa.

Wniosek

Doświadczenie to ukazuje wyraźny wpływ oddziaływania

metali ciężkich na wzrost poziomu białek u bioindykatorów jakimi są mchy
wodne.

Bioindykacja złota u mszaków wodnych

A. Samecka-Cymerman z Departamentu Ekologii i

Ochrony Środowiska w Krakowie, wraz z A. J. Kempers’em
z Departamentu Biogeologii w Holandii podjęła się
zbadania roli bioindykacyjnej mszaków wodnych pod kątem
obecności złota (

Jako że arsenopiryt jest często obecny w złożach

(osadach) złotonośnych, badaniu poddano koncentrację
złota u mszaków wodnych zebranych ze strumieni
(potoków) znajdujących się w strefach mineralizacji arsenu
na terenie Sudetów polskich oraz czeskich. Zebrane
informacje zostały porównane z analizami mszaków
wodnych ze strumieni pozostających poza strefą
mineralizacji, zawierającymi jedynie złoto w ilościach tła
geochemicznego. Najwyższe zawartości

w mszakach

przewyższające tło geochemiczne zostały stwierdzone na
obszarach charakteryzujących się obecnością

arsenopirytu

„Międzygatunkowe różnice w bioakumulacji metali ciężkich u

pięciu mszaków wodnych” – J. Lopez, A. Carballeira z Uniwersytetu
w Santiago de Compostella w Hiszpanii.

Fot. Brachytecium rivulare

Fot. Fissidens polyphyllus

Fot. Fontinalis antipyreitca

Fot. Scapania
undulata

Fot. Rhynnchostegium
riparioides

Grupa naukowców zbadała międzygatunkowe różnice w

bioakumulacji metali ciężkich u pięciu mszaków wodnych. Pobrano

w tym celu 170 próbek z 32 rzek w Galicji (północno-zachodnia

Hiszpania). W przypadku każdego osobnika analizie poddano tylko

dwucentymetrowy końcowy odcinek wierzchołka.

Mszak

Scapania

undulata

okazał się gatunkiem

o największej pojemności
akumulacyjnej, a

Fissidens

polyphyllus

charakteryzował

się pojemnością najmniejszą.

Fontinalis antipyreitca

Rhynnchostegium riparioides

Brachytecium rivulare

posiadają średnią zdolność do
magazynowania metali
ciężkich, lecz wykazały
większy zakres wahań
odnośnie koncentracji w nich
substancji.

Średnia zdolność

akumulacyjna wraz z większą
odpornością na zanieczyszczenia
oraz szerokim zasięgiem
występowania i dużej liczebności (w
badanym regionie) dwóch ostatnich
wymienionych gatunków wskazują
na ich największą przydatność w
badaniach bioindykacyjnych.

Parametry bioakumulacji

były wysokie dla wszystkich
zbadanych metali. Zależność między
obecnością metali w mszakach i w
wodzie była znacząca dla wszystkich
metali oprócz

w przypadku F.

antipyreitca oraz

u S.

undulata, F. polyphyllus i B. rivulare.

Wpływ czynników fizycznych i chemicznych

wody na biokumulację

został oszacowany przy użyciu specjalnej analizy
współzależności czynników.

Stwierdzono, że bioakumulacja zależy od:

czynników fizykochemicznych takich jak: stężenie zw. siarki,

pH oraz w mniejszym stopniu ilość azotynów, amoniaku i
fosforanów

stężenia metali w wodzie

od zdolności poszczególnych gatunków do zatrzymywania

metali.

Literatura

☼

http://www.springerlink.com/content/t3004530604387gk/

☼

http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=18474580

☼

http://www.cababstractsplus.org/abstracts/Abstract.aspx?AcNo=20043

140613

☼

http://www.springerlink.com/content/t3004530604387gk/

☼

J. Landwehr-

„Nieuwe Atlas Nederlandse Bladmossen”

☼

Przegląd Przyrodniczy IX. 1/2 (1998): 73-79; Ewa Fudali „Próba

wykorzystania mszaków do oceny stanu ekosystemów”