Využití raků jako bioindikátorů kvality vody

MSc. Iryna KUKLINA

Disertační práce

Crayfish as bioindicators of water quality

Anotace:

Ekologické postavení raků se během posledních desetiletí zásadně posunulo od vnímání raků jako senzitivních indikátorů vodního prostředí po dnešní rozšíření řady tolerantních druhů schopných přežívat v širokém rozpětí nepříznivých podmínek prostředí. I přes diskuze, zda je či není rak správný bioindikátor, jsou ale raci stále považováni za neodmyslitelnou a klíčovou součást vodního ekosystému. Bez ohledu na to, jak jsou jednotlivé druhy raků vnímavé ke kvalitě vodního prostředí, všechny druhy mohou být velmi dobře využity v různých studiích zaměřených na biomonitoring. Hlavním cílem disertační práce bylo vyvinutí a inovace systému pro kontinuální monitorování kvality vody s využitím raků jako bioindikátorů. Tím, že nejsou raci tak vývojově složití ve srovnání s obratlovci (např. rybami), ale dostatečně komplexní ve srovnání s ostatními bezobratlými s pevnou tělesnou schránkou (např. mlži), reprezentují užitečný objekt pro biomonitoring s dobrou možností manipulace s relativně snadným získáním, analýzou a interpretací dat. První část práce je věnována vyhodnocení raků jako vhodných bioindikátorů. Potvrdili jsme, že při zjišťování akumulace těžkých kovů ve vodním prostředí mohou raci poskytnout dostatečné množství vhodných tkání a orgánů. Pro tento účel jsme analyzovali žábra, svalovinu a hepatopancreas. Primárně se většina těžkých kovů akumuluje v hepatopankreatu (chrom, kadmium, měď, nikl, zinek). Pro větší relevanci výsledků biomonitoringu byla data porovnána se vzorky odebranými z ryb ze stejných nádrží. Zvláštní pozornost je v práci (druhá čast) věnována vyhodnocení etofyziologických charakteristik, pohybu a srdeční činnosti k vyhodnocení kvality vody. Testována byla reakce na chloramín, chloridy a dusitany a později i na různé přirozené podněty (pachy potravy, jedince jiného pohlaví, dravce atd.). Tento přístup se svým způsobem ukázal jako na jednu stranu jednoduchý, ale v zásadě komplexní a sofistikovaný. Jednoduchost tohoto přístupu spočívá v jeho rychlém využití a snadnějším vyhodnocení změn srdeční a pohybové aktivity přímo v reálném čase, oproti dlouhým a složitým analýzám. Jisté komplikace mohou souviset s nepředvídatelnou reakcí zvířat, protože se měřené parametry mohou často navzájem ovlivňovat, což musí být řádně sledováno a eliminováno. Jedinečnost našeho vyvinutého systému spočívá právě v kombinaci vyhodnocování chování a fyziologických parametrů, což poskytuje možnost relevantního vyhodnocení reakcí zvířat na změnu prostředí. Na vyvinutý systém byla podána patentová přihláška a senzor bude ochráněn jako užitný vzor. Tento systém je využitelný i pro ostatní korýše s dostatečnou velikostí krunýře, stejně tak jako pro vodní mlže. Jedinou slabinou systému může být to, že živý organismus je sice schopný přímé reakce na změnu prostředí, ale není schopný přesně specifikovat příčinu. Nicméně k tomuto účelu mohou být následně využity přesné chemické analytické metody schopné dnes detekovat široké spektrum látek. Ačkoli je srdeční tep druhově specifický a závislý na kondici jedince a nemůže být tudíž jednoduše aplikován na všechny druhy, může být vizuální analýza primárních křivek srdečního tepu využitelná pro stanovení referenčních hodnot pro určité fyziologické stavy raků. Tomuto problému je věnována závěrečná část práce. Závěrem lze říci, že vyvinutý systém pro biomonitoring je velmi dobře využitelná neinvazní metoda ke studiu reakcí raků na specifické podněty v kontrolovaných podmínkách, s možností další aplikace ve více vědních oborech i praxi.

Abstract:

In recent decades, the ecological status of the freshwater crayfish has changed drastically from a sensitive indicator of an aquatic environment to a tolerant species that can survive in a wide range of unfavourable conditions. Despite all controversies on being or not being proper bioindicators, crayfish are a key species that plays a crucial role in the freshwater ecosystem. Regardless of whether certain crayfish possess a particular environmental sensitivity or not, all species can be used in biomonitoring investigations. The main objectives of the present thesis were development and implementation of system for continuous monitoring of water quality using crayfish as the bioindicator. Being less complex than vertebrates (e.g., fish), but being sufficiently complex compared to some other hard-shell freshwater invertebrates (e.g., mussels), crayfish present a useful biomonitoring object, which is easy to manipulate with, and which provides experimental data which is easy to obtain, analyse and interpret. The first part of this thesis is devoted to an evaluation of crayfish as suitable bioindicators. We showed that, when conducting the biomonitoring of metals in aquatic biota, crayfish have sufficient tissues for a bioaccumulation survey. For this purpose, we examined the gills, muscles and hepatopancreas. We confirmed that the hepatopancreas was the primary target for accumulation of most of the examined elements (i.e., cadmium, chromium, copper, nickel, zinc). For higher relevance, crayfish surveys were compared to fish samples collected from the same locations. The second part of this work particularly focused on water quality biomonitoring based on the evaluation of crayfish ethophysiological characteristics. We examined crayfish reactions to both chemical (i.e. chloramine, chlorides, nitrites) and natural odours (i.e., food, heterosexual conspecifics, predator, etc). This approach was shown to be simple yet at the same time, complex and efficient. Such monitoring technique is easily implemented and does not demand long, complicated analyses, since monitored parameters, locomotor and cardiac activity, are evaluated immediately in real time. However, one complication is related to the unpredictability of an animal's reactions. Because studied characteristics may often affect each other, they need to be carefully traced and interaction between measured characteristics needs to be eliminated. The usefulness of such biomonitoring is conditioned by a reliable combination of behaviour and physiology, which enables detection of complex animal responses to environmental changes. As reported in the third part, we submitted an application for a patent of the developed system, and described in the patent sensor will be protected as utility model. Moreover, other crustaceans with sufficient carapace size (e.g., shrimps, crabs, molluscs) can be successfully investigated using presented system. The only challenge is that living organism can clearly indicate disruption of ambient conditions, but cannot detect what it has caused. However, there are powerful analytical techniques now, developed exactly for accurate determination of various compounds. The heart rate is species- and conditions-specific, so it cannot be applied as unified measure for all crayfish species, while visual analysis of heartbeat primary curves can be useful for establishment of referent crayfish heart rate values at their different functional states. The final part of the thesis is devoted to this issue. In conclusion, the developed biomonitoring system was shown to be highly practical unit using noninvasive technique for investigation of crayfish reactions under model conditions, with the potential of further application at broader research and industrial arenas.

Klíčová slova

bioindikátor, biomonitoring, dlouhodobé sledování, dýchací činnost, etologie, invazní postup, neinvazní postup, ochrana vod, on-line přístup, reální čas, referenční skupina, srdeční činnost

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 9. 9. 2014

Zveřejnit od: 9. 9. 2014

Obhajoba závěrečné práce

JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH

Fakulta rybářství a ochrany vod

Doktorský studijní program / obor:
Zootechnika / Rybářství