Monitoring reakce raků na různé podněty: jsou raci dobrými bioindikátory?

Ing. Viktoriia MALINOVSKA

Doctoral thesis

Monitoring of crayfish reaction to the different stimuli: are the crayfish good bioindicators?

Abstract:

Sladkovodní raci mají zásadní roli v potravním řetězci a při přenosu energie mezi trofickými úrovněmi, často působí jako klíčové druhy. Mezi bezobratlými jsou raci primárními druhy s ohledem na jejich velkou velikost a obecnou hojnost a biologickou rozmanitost. Raci patří k běžným modelovým organismům ve vědeckém výzkumu a jsou využíváni jako bioindikátory kvality vody v laboratorních i terénních studiích. Sladkovodní raci jsou v přímém ohrožení, zatímco čelí znečištěnému vodnímu prostředí, protože do přírodních vod se během roku dostává mnoho chemikálií. Studie ukázaly, že raci vykazují různé behaviorální a fyziologické změny v reakci na antropogenní kontaminanty. V Kapitole 2 bylo naším cílem vyhodnocení srdeční a lokomotorické reakce raka signálního Pacifastacus leniusculus na krátkodobou pulzní expozici environmentálně relevantním koncentracím tří pesticidů (metazachlor, terbuthylazin a thiacloprid). Ve srovnání s kontrolními skupinami, u raků vystavených metazachloru bylo pozorováno významné zvýšení srdeční frekvence a ujeté vzdálenosti. Ve skupinách vystavených terbuthylazinu a thiaclopridu nebyly zaznamenané významné změny srdeční a pohybové aktivity raků. Protože většina raků v těchto skupinách nevykazovala lokomotorickou odezvu, nebyli zřejmě stimulováni k úniku z kontaminované oblasti. V přirozených podmínkách to může vést k trvalému vystavení environmentálním chemikáliím, které jsou potenciálně škodlivé. V Kapitole 3 jsme zkoumali účinky UV filtrů kyseliny benzoyl-4-hydroxy-2-methoxybenzensulfonové (BP4) a kyseliny 2-fenylbenzimidazol-5-sulfonové (PBSA) na raky během 30 minutové expozice. Jedinci raků exponovaní testovaným látkám se pohybovali na větší vzdálenosti a strávili více času v pohybu. V exponovaných skupinách byla také zaznamenaná vyšší frekvence srdečního tepu. Zaznamenané změny ve fyziologii a chovaní raků v obou studiích mohou být indikací potenciálního narušení schopnosti reagovat na predátory a následně ovlivnit početnost a funkční vlastnosti společenstev velkých bezobratlých. Spolu s využitím raků v laboratorních a venkovních experimentech existuje také možnost provést případovou studii s raky působícími jako bioindikátory. Hodnotili jsme fyziologické reakce raků na vodu dezinfikovanou oxidem chloričitým v dlouhodobém sledování za provozních podmínek v lokálním pivovaru (Kapitola 4). Narušení se projevovalo jako chaotické zvýšení a snížení srdečního tepu bez ohledu na denní dobu. V přirozeném prostředí je srdeční frekvence raků v noci vyšší s ohledem na noční aktivitu. Noční režim je důležitou adaptací pro raky a jeho narušení může vést k určitým rizikům souvisejícím se zvýšenou viditelností pro predátory a změnami při hledání potravy. Naše výsledky ukázaly, že raci vykazují srdeční a pohybové reakce, když jsou krátce vystaveni běžně používanému herbicidu metazachloru a dvěma široce používaným UV filtrům BP4 a PBSA, což naznačuje, že raci mohou potenciálně detekovat výskyt těchto vodních kontaminantů ve vodě. Prokázala se také užitečnost raka při dlouhodobém sledování kvality vody. Tato zjištění rozšiřují naše chápání používání raků jako bioindikátorů ve vědeckém výzkumu. Prezentovaná práce poskytuje data z laboratorních a případových studií zaměřených na srdeční a lokomotorickou aktivitu u raků. Vzhledem k tomu, že raci jsou základem potravního řetězce ve sladkovodním prostředí, je velmi důležité studovat účinky různých podnětů na takové klíčové druhy. Pochopení dalších biologických dopadů vodních polutantů na sladkovodní raky a další necílové taxony prospěje našim znalostem ohrožení funkčních změn složení populací a spole

Abstract:

Freshwater crayfish play a vital role in food webs and energy transfer between trophic levels, often acting as keystone species. Crayfish are prime species among invertebrates, considering their large size, abundance, and biodiversity. Crayfish belong to common model organisms in scientific research and have been used as bioindicators of water quality in laboratory and field studies. Freshwater crayfish are at direct risk while facing polluted aquatic environments, as many chemicals enter natural waters throughout the year. Studies have been shown that crayfish exhibit a variety of behavioral and physiological alterations in response to anthropogenic contaminants. In Chapter 2, we aimed to assess the cardiac and locomotor responses of crayfish Pacifastacus leniusculus to short-term pulse exposure to environmentally relevant concentrations of three pesticides (metazachlor, terbuthylazine, and thiacloprid). A significant increase in heart rate and distance moved was observed in metazachlor-exposed specimens compared to controls. We did not detect significant changes in crayfish cardiac and locomotor activity in terbuthylazine and thiacloprid groups. Most crayfish in these groups did not exhibit locomotor response, so they might not be stimulated to escape a contaminated area. This may lead to continuous exposure to environmental chemicals that are potentially harmful. In Chapter 3, we investigated the effects of UV filters Benzoyl-4-hydroxy-2-methoxybenzenesulfonic acid (BP4) and 2-Phenylbenzimidazole-5-sulfonic acid (PBSA) on crayfish during 30 min exposure period. Specimens exposed to the tested compounds moved greater distances and spent more time in locomotion. Increased heart rate was also detected in treated groups. Such behavioral and physiological alterations of crayfish detected in both studies can potentially impair crayfish ability to respond to predators, and consequently affect abundance and the functional properties of macroinvertebrate communities. Along with use of crayfish in laboratory and field experiments, there is also an option to conduct case study with crayfish acting as bioindicators. We evaluated crayfish physiological responses to water disinfected with chlorine dioxide in long-term monitoring under operating conditions in local brewery (Chapter 4). The disruption of cardiac rhythmicity was detected with chaotic increases and decreases of heart rate regardless of the time of day. In natural environment, heart rate of crayfish is higher during night time considering nocturnal activity of these decapods. Nocturnalism is important adaptation for crayfish, and its impairment can lead to certain risks related to increased visibility to predators and alterations in foraging. Our results indicated that crayfish exhibit a cardiac and locomotor responses when shortly exposed to commonly used herbicide metazachlor and two widely applied UV filters BP4 and PBSA, suggesting that crayfish can potentially detect the appearance of these aquatic contaminants in water. The usefulness of crayfish in long-term monitoring of water quality have also been demonstrated. These findings expand our understanding of using crayfish as bioindicators in scientific research. In conclusion, this thesis provides the data from laboratory and case studies focusing on measurements of cardiac and locomotor endpoints in crayfish. Given that crayfish is at the base of the food chain in freshwater environments, it is of great importance to study the effects of different stimuli on such keystone species. Understanding further biological impacts of aquatic pollutants on freshwater crayfish and other non-target taxa will benefit our knowledge of threats to functional compositional changes in populations and communities.

Abstract:

čenstev.

Keywords

Pesticidy, Pohyb, Sladkovodní korýš, Srdeční aktivita, UV filtry, Vodní polutanty

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 8. 2023

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Pavel Kozák, Ph.D.

UNIVERSITY OF SOUTH BOHEMIA IN ČESKÉ BUDĚJOVICE

Faculty of Fisheries and Protection of Waters

Doctoral programme / field:
Zootechnics / Fishery