1

Mszaki jako bioindykatory

2

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.”

3

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.

4

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).

5

Wskaźnikami jakich zanieczyszczeń są

mchy…?

1.

Metale ciężkie

:

Cd, Cu, Ni, Pb,

Zn, Cr, Ba, Co, Li,

V, Al, Fe, Mn.

2.

Radionuklidy:

mechanizmy bioakumulacji
są podobne jak w przypadku

metali.

Ra-226 Ra-228

6

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

+

7

Biomonitoring aktywny:

prowadzony jest na
mszakach pobranych z nie
zanieczyszczonych miejsc i
umieszczonych na
obszarze, którego dotyczą
badania.

Bierny biomonitoring:

jest oparty na badaniu
mszaków autochtonicznych
(rodzimych), czyli tych
naturalnie występujących
na terenie badań.

8

Właściwości bioindykacyjne mszaków

1.

Budowa morfologiczna

– brak kutikuli i epidermy

sprawiają iż komórki mszaków są bezpośrednio
narażane na działanie zanieczyszczeń.

2.

Termin występowania (ekspozycja) – są

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

3

.

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.

1.

Komórki przewodzące

2.

Komórki wzmacniające

3.

Komórki wodne (tzw. retortowe)

9

Fot. Mszar nastroszony (Paludella squarrosa)

4.

Liczebność – występują w środowisku w

bardzo liczebnych populacjach, gromadzących
na małym areale tysiące taksonów.

5.

Cykl życiowy – większość gatunków

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

6.

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.

7.

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)

10

Sposoby badania mszaków pod katem zmian

wywołanych zanieczyszczeniami:

1.

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

11

2.

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

12

Innymi metodami

stosowanymi do
ilościowego określenia
widocznych efektów
działania
zanieczyszczeń o
wysokich lub
najwyższych
toksycznych
stężeniach są
obserwacje mikro- i

makroskopowe
mszaków wodnych.

13

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).

14

Przykłady badań:

1.

Reakcje biochemiczne u mchu wodnego

Fotinalis antipyretica

na

obecność

Cd

,

Cu

,

Pb

i

Zn

stwierdzone na podstawie fluorescencji chlorofilu i

poziomu białka.

Niemieccy naukowcy podjęli
się zbadania reakcji
biochemicznych u mchu
wodnego

Fotinalis

antipyretica

na obecność

Cd

,

Cu

,

Pb

i

Zn

na podstawie

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

Fot. Fontinalis antipyretica

15

Zbadano fluorescencję chlorofilu, umiejscowienie

metali wewnątrz komórek i poziomy protein wywołujące

reakcje u mchu F. antipyretica.

WYNIKI:

1.

Narażenie na oddziaływanie

Cu

w ilości 25 µM oraz 100 µM, trwające7 dni,

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

2.

Ekspozycja na 100 µM

Cd

zmniejszyła fluorescencję o 75%.

3.

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

wewnątrz komórek mchu wzrastała.

4.

Maksymalne wartości nagromadzenia metali miały miejsce przy 100 µM w

przypadku

Cu

,

Pb

,

Zn

i

Cd

.

5.

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.

6.

Zaobserwowano również, iż atomy

Cu

tworzą związki chylatowe z grupami –

SH i wytrąca się razem z ortofosforanami w wakuolach.

16

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.

17

2.

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 (

Au

).

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

Au

w mszakach

przewyższające tło geochemiczne zostały stwierdzone na
obszarach charakteryzujących się obecnością

arsenopirytu

.

18

3.

„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

19

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

i

Brachytecium rivulare

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

20

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

Co

w przypadku F.

antipyreitca oraz

Cd

,

Pb

i

Co

u S.

undulata, F. polyphyllus i B. rivulare.

21

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.

22

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”