Mszaki jako bioindykatory
1
Jako wskaz
nik biologiczny,
bioindykator, rozumie siÄ™
 organizm lub grupę organizmów,
które  ze względu na parametry
biochemiczne, cytologiczne,
fizjologiczne, etologiczne i
ekologiczne  w sposób
wiarygodny charakteryzujÄ… stan
ekosystemów i jak najwcześniej
wykazują zmiany wywołane przez
czynniki naturalne bÄ…dz
sztuczne.
2
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.
3
Historia mchów jako bioindykatorów
Połowa lat 70-tych - pierwsze naukowe wykorzystanie
mszaków (Pleurozium schreberi, Hylocomium splendens) jako
wskaz
ników 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).
4
Wskaz
nikami jakich zanieczyszczeń są
mchy& ?
1. Metale ciężkie :
Cd, Cu, Ni, Pb,
Zn, Cr, Ba, Co, Li,
V, Al, Fe, Mn.
2. Radionuklidy:
mechanizmy bioakumulacji
sÄ… podobne jak w przypadku
metali.
Ra-226 Ra-228
5
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
6
R. Ingersoll
+
Bierny biomonitoring:
jest oparty na badaniu
mszaków autochtonicznych
(rodzimych), czyli tych
naturalnie występujących
na terenie badań.
Biomonitoring aktywny:
prowadzony jest na
mszakach pobranych z nie
zanieczyszczonych miejsc i
umieszczonych na
obszarze, którego dotyczą
badania. 7
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 zasiedlajÄ…
wszystkie kontynenty i środowiska na globie.
Spotykamy je w wodzie na lÄ…dzie oraz w
miejscach o ekstremalnych wymaganiach
ekologicznych. Są roślinami pionierskimi
zasiedlającymi środowiska nie zdatne dla innych
roślin.
1. Komórki przewodzące
2. Komórki wzmacniające
8
3. Komórki wodne (tzw. retortowe)
4. Liczebność  występują w środowisku w
bardzo liczebnych populacjach, gromadzÄ…cych
na małym areale tysiące taksonów.
5. Cykl życiowy  większość gatunków
mszaków to organizmy wieloletnie. Nie
zamierajÄ… one na zimÄ™ tylko przyrastajÄ…
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
akumulujÄ… je w swoich tkankach.
Fot. Mszar nastroszony (Paludella squarrosa)
9
 ...gatunki mogą pełnić rolę wskaz
ników biologicznych jeśli ich autekologia: rozwój
osobniczy, dynamika populacji sÄ… dobrze poznane. Wiegleb (2002)
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
wskaz
nikiem stresu fizjologicznego u mszaków wodnych oparty na rozpadzie
chlorofilu polegajÄ…cym na utracie atomu magnezu i w wyniku tego powstaniu
feofityny
10
2. W skali komórkowej,
przedmiotem badań są również
ruchy jonowe zasadniczych
elementów, a mianowicie utrata
potasu, magnezu i wapnia.
Strata potasu jest wskaz
nikiem
wzrostu przepuszczalności
błony komórkowej, co pociąga
Rys. Utrata jonów zasadniczych w
wyniku działania metali ciężkich
za sobÄ… zmiany jej budowy.
11
Innymi metodami
stosowanymi do
ilościowego określenia
widocznych efektów
działania
zanieczyszczeń o
wysokich lub
najwyższych
toksycznych
stężeniach są
obserwacje mikro- i
makroskopowe
12
mszaków wodnych.
Obecnie do oceny wód
używa się
współczynników takich
jak:
Wskaz
nik
zanieczyszczenia
poszczególnymi
metalami
(oparty o bioakumulacjÄ™
w mchach)
Wskaz
nik
zanieczyszczenia
mieszaninÄ… metali
(oparty na akumulacji
mieszaniny metali).
13
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
siÄ™ 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.
14
Fot. Fontinalis antipyretica
Zbadano fluorescencjÄ™ chlorofilu, umiejscowienie
metali wewnątrz komórek i poziomy protein wywołujące
reakcje u mchu F. antipyretica.
WYNIKI:
1.Narażenie na oddziaÅ‚ywanie Cu w iloÅ›ci 25 µM oraz 100 µM, trwajÄ…ce7 dni,
spowodowało zmniejszenie fluorescencji chlorofilu odpowiednio o 52% i 70%.
2.Ekspozycja na 100 µM Cd zmniejszyÅ‚a fluorescencjÄ™ o 75%.
3.W przypadku wszystkich metali użytych w iloÅ›ciach 25-100 µM, ich absorpcja
wewnątrz komórek mchu wzrastała.
4.Maksymalne wartoÅ›ci nagromadzenia metali miaÅ‚y miejsce przy 100 µM w
przypadku Cu, Pb, Zn i Cd.
5.Jak wykazała analiza przy użyciu mikroskopu elektronowego, próbki mchu
poddane dziaÅ‚aniu 50 µM miedzi przejawiaÅ‚y obniżony poziom siarki w
cytoplazmie oraz jednoczesny wzrost ilości fosforu w wakuolach.
6.Zaobserwowano również, iż atomy Cu tworzą związki chylatowe z grupami 
15
SH i wytrÄ…ca siÄ™ 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 wyraz
ny wpływ oddziaływania
metali ciężkich na wzrost poziomu białek u bioindykatorów jakimi są mchy
wodne.
16
2. Bioindykacja złota u mszaków wodnych
A. Samecka-Cymerman z Departamentu Ekologii i
Ochrony Åšrodowiska 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 pozostajÄ…cych poza strefÄ…
mineralizacji, zawierającymi jedynie złoto w ilościach tła
geochemicznego. Najwyższe zawartości Au w mszakach
przewyższające tło geochemiczne zostały stwierdzone na
17
obszarach charakteryzujących się obecnością arsenopirytu.
3.  Międzygatunkowe różnice w bioakumulacji metali ciężkich u
pięciu mszaków wodnych  J. Lopez, A. Carballeira z Uniwersytetu
w Santiago de Compostella w Hiszpanii.
Fot. Fissidens polyphyllus
Fot. Brachytecium rivulare
Fot. Scapania
undulata
Fot. Rhynnchostegium
18
riparioides
Fot. Fontinalis antipyreitca
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
19
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 Co w przypadku F.
antipyreitca oraz Cd, Pb i Co u S.
undulata, F. polyphyllus i B. rivulare.
20
Wpływ czynników fizycznych i chemicznych
wody na biokumulacjÄ™
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.
21
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
22