Успехи современной биологии, 2019, T. 139, № 2, стр. 178-183

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы повсеместно отмечается специфическая форма гибели пчелиных семей, происходящая преимущественно в осенне-зимний период. При этом все взрослые пчелы семьи поодиночке покидают улей, оставляя запасы корма (Еськов, Еськова, 2018а). Этим осенне-зимние слеты отличаются от летних слетов, которые совершают одновременно все взрослые пчелы, переселяясь вместе с маткой в новое жилище (Еськов, 1992).

Причины осенне-зимних слетов пчелиных семей не имеют убедительного биологического объяснения (Лебедев, 2003; Ильясов и др., 2017; Dainat et al., 2012). Можно предположить, что внешне немотивированные слеты, представляющие собой неизвестные аномалии поведения пчел, порождаются воздействием внешних факторов. К их числу можно отнести возрастающее загрязнение природной среды тяжелыми металлами. Они, поступая в окружающую среду, аккумулируются вегетативными и генеративными органами медоносных растений и далее, распространяясь по трофическим цепям, накапливаются в теле пчел (Еськов, Еськова, 2013; Еськов, Выродов, 2015).

На урбанизированных территориях для временного или постоянного содержания пчелиных семей широко используются участки вблизи автомагистралей. С выхлопами автотранспорта и трением покрышек движущихся автомобилей об асфальт связано загрязнение почвы и воздуха токсическими веществами (Елшин, 1986), среди которых наибольшую угрозу для пчел представляет свинец и кадмий (Еськов, Еськова, 2018б).

Цель работы – изучение критических уровней накопления свинца и кадмия в головном, грудном, брюшном отделах тела пчел, модифицирующих их поведение неадекватно экологической ситуации.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование выполнено на рабочих пчелах Apis mellifera L., содержавшихся по 200–350 особей в энтомологических садках и пчелиных семьях, живших в ульях. Пчелиные семьи находились на территориях, существенно различавшихся по загруженности автотранспортом. Кормовой участок одной группы пчелиных семей находился на расстоянии 20–300 м от автомагистрали, загруженность которой составляла 3.8–4.7 тыс. автомобилей в течение часа, другой – в парковой зоне, удаленной на 220–1500 м от автомобильной дороги. Ее загруженность не превышала 110 автомобилей в течение часа.

Садки с пчелами содержали в суховоздушных термостатах ТС-80, в которых температура поддерживалась на уровне, оптимальном для взрослых особей – 26 ± 1°С (Еськов, 1992). В контрольных вариантах пчелы потребляли 60%-ные незагрязненные растворы сахарозы, а в опытных – с водорастворимыми солями свинца (Pb(CH₃COО)₂ · 3H₂O) или кадмия (Cd(CH₃COO)₂ · 2H₂O). В качестве кормушек использовали опрокинутые пробирки, укрепляемые в центре потолочин садков (по одной пробирке в каждом садке). Вытекание углеводных растворов из пробирок ограничивалось марлевыми фильтрами.

Влияние разной загрязненности корма свинцом или кадмием на активность метаболизма пчел оценивали по величине дыхательного коэффициента (ДК), для чего садки с пчелами по одному помещали на определенное время в герметически закрытый 4-литровый эксикатор. В нем потребление пчелами кислорода и выделение диоксида углерода контролировали газоанализатором АНКАТ-7664 (Россия). Показатели активности метаболизма пересчитывали на одну особь. Для определения численности пчел, находившихся в садке, их анестезировали диоксидом углерода. 

Критические уровни накопления свинца и кадмия определяли на пчелах, которые потребляли растворы сахарозы с относительно высокой загрязненностью этими элементами. За аномалию трофического поведения пчел, содержавшихся в садках, принимали прекращение потребления ими корма, что выражалось в миграции от кормушки. После этого пчел препарировали, расчленяя на голову, грудь и брюшко, из которого вычленяли пищеварительный тракт.

Отделы тела и пищеварительный тракт высушивали до постоянной массы при 102°С в терморегулируемом шкафу СНОЛ (Россия). Взвешивания с точностью 0.1 мг осуществляли на электронных весах AF 224RCE (Shinko Denshi, Япония). Высушенные препараты заливали 70%-ной азотной кислотой и минерализовали в герметических фторопластовых сосудах лабораторной СВЧ-печи ПЛП-01М (“Меркурий”, Россия). Содержание свинца и кадмия в минерализатах определяли атомно-адсорбционным методом, для чего использовали анализатор КВАНТ–Z.ЭТА (“КОРТЭК”, Россия). Таким же способом определяли содержание этих элементов у пчел, семьи которых содержались в разных экологических условиях, а также в потребляемом ими углеводном и белковом корме.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Чувствительность пчел к загрязнению корма свинцом или кадмием. От количества свинца или кадмия в корме зависело его потребление пчелами, содержавшимися в садках, и активность их метаболизма. Потребление чистого 60%-го раствора сахарозы в пересчете на одну пчелу, составляло в среднем 51 ± 4 мкл/ч. При наличии в углеводном растворе 20 мг/л свинца потребление корма уменьшалось вдвое, при 50 мг/л – примерно втрое. Сходные изменения потребления корма происходили при наличии в нем 2 или 5 мг/л кадмия.

Судя по потреблению кислорода, активность метаболизма пчел соответственно увеличению загрязнения корма понижалась. При потреблении чистого корма расход кислорода одной пчелой составлял 18.1 ± 0.92 мкл/мин. Соответственно увеличению содержания свинца в растворе сахарозы до 0.5, 2, 20 и 40 мг/л потребление кислорода уменьшалось в среднем до 17.1 ± 0.87, 9.86 ± 0.67, 1.66 ± 0.13 и 0.32 ± 0.05 мкл/мин (рис. 1). Сходный тренд уменьшения потребления кислорода, но на более низком уровне, прослеживался при повышении содержания кадмия в растворе до 0.25, 0.5, 2, и 5 мг/л (рис. 1, Б).

Рис. 1.

Зависимость потребления кислорода в пересчете на одну пчелу (мкл/мин) от количества свинца (А) или кадмия (Б) в растворе 60%-ной сахарозы.

У пчел, потреблявших чистые растворы сахарозы, ДК поддерживался ~1. После потребления в течение 4–5 сут 60%-го раствора сахарозы, в котором содержание свинца составляло 500 мг/л, пчелы мигрировали от кормушки и агрегировались на стенке садка, образуя плотное малоподвижное скопление. В то время, когда эти пчелы жили в течение 2–5 сут за счет внутренних резервов, ДК понижался до 0.79 ± 0.03. Сходное изменение ДК происходило у пчел после прекращения потребления раствора сахарозы, в котором содержание кадмия находилось на уровне 50 мг/л.

Накопления свинца и кадмия в теле пчел, содержавшихся в садках. Пчелы, находившиеся исходно в условиях, отличавшихся по техногенной загрязненности, потребляли разное количество корма с примесями солей свинца или кадмия. Мед в ульях семей, расположенных вблизи загруженной автомагистрали, содержал свинца в 1.5, а кадмия в 2.9 раза больше чем в парковой зоне, а пыльца – соответственно в 1.7 и 1.2 раза (табл. 1).

От загрязненности корма, потребляемого разными группами пчелиных семей, зависела загрязненность свинцом и кадмием тела пчел. Пчелы из группы семей, находившихся вблизи автомагистрали, по накоплению свинца в разных отделах тела превосходили пчел из парковой зоны примерно в три раза и в органах пищеварительного тракта – в два раза (табл. 2). По накоплению кадмия отделы тела и органы пищеварительного тракта этих пчел различались примерно в три раза (табл. 3).

Независимо от загрязненности корма, потребляемого пчелиными семьями, находившимися в разных экологических условиях – у автомагистрали или в парковой зоне, наименьшим накоплением свинца и кадмия отличались головные отделы, наибольшим – желудки и ректумы. У пчел из семей придорожной зоны ректумы превосходили по накоплению свинца головные отделы в 5.1 раза, а из парковой зоны – в 5.6 раза. По содержанию кадмия у этих групп пчел ректумы превосходили головные отделы соответственно в 2.9 и 3.7 раза.

Потребление корма пчелами, содержавшимися в садках, зависело от условий жизни пчелиных семей. Пчелы из семей, кормовые участки которых прилегали к автомагистрали или находились в парковой зоне, прекращали потребление раствора сахарозы с примесью 500 мг/л свинца через 5 или 4 сут соответственно. Активность потребления корма каждой пчелой из семей первой группы составила 4.2 ± 0.4, второй – 6.2 ± 0.5 мкл/ч.

Различия по потреблению загрязненного корма отражалось на интенсивности накопления свинца в теле пчел. У тех из них, семьи которых находились у автомагистрали, содержание свинца за 5 сут в головных отделах возрастало в 21.2, в грудных – в 6.2, в брюшных – в 26.8, в зобиках – в 22.5, в желудках – в 16.0 и в ректумах – в 50.9 раза (р ⩾ 0.999). У пчел из парковой зоны эти различия были значительно выше, составляя 36.4, 29.2, 40.3, 27.3, 36.1 и 89.1 раза (р ⩾ 0.999) соответственно (табл. 2).

Пчелы прекращали потребление корма, в котором содержалось 50 мг/л кадмия, в течение суток. За это время каждая пчела из семей, кормовые участки которых находились у автомагистрали, потребила 4.8 ± 0.7 мкл/ч корма, а из парковой зоны – 7.3 ± 1.1 мкл/ч. В результате содержание кадмия в головных отделах пчел первой группы возросло в 11.4, в грудных – в 2.8, в брюшных – в 15.3, в зобиках – в 12.2, в желудках – в 3.9 и в ректумах – в 13.2 раза, а у второй – в 29.7, 6.5, 40.0, 77.6, 8.0 и 34.6 раза (р ⩾ 0.999) соответственно (табл. 3).

После прекращения потребления корма у пчел резко понижалась активность локомоций и метаболизма. В таком состоянии они выживали в течение 3–7 сут, расходуя внутренние резервы.

Поведение пчел, слетавших из ульев в осенне-зимний период. Немотивированные слеты пчелиных семей, содержащихся на техногенно загрязненных территориях, происходят после завершения весенне-летнего периода, в течение которого пчелы находятся в активном состоянии. В пассивный период жизни, начинающийся после того как температура в дневное время суток устанавливается на уровне, не превышающем 5–7°С, пчелы агрегируются в гнездовом пространстве, а у матки наступает репродуктивная диапауза (Еськов, 2003).

Слеты пчелиных семей, происходящие в пассивный период их жизни, отличаются от переселений больших групп пчел при социотомии или всех взрослых особей при переселении. Переселению и социотомии пчелиных семей предшествует поиск подходящих мест поселения. Все переселяющиеся пчелы в течение нескольких минут вылетают из улья и собираются невдалеке от него, а затем вместе с маткой улетают в направлении нового жилища, найденного пчелами-квартирмейстерами (Еськов, 1992).

Пчелы, покидавшие гнезда в пассивный период их жизни, вылетали из ульев поодиночке с интервалами от нескольких секунд до минут. Вылетавшие пчелы не задерживались у летка и не совершали ориентировочных облетов. Их полеты напоминали вылеты из улья пчел-фуражиров к известным им источникам корма. Но в отличие от фуражиров слетавшие пчелы всегда начинали полет по прямолинейной траектории. Затенение летка доской, приставляемой наклонно к передней стенке ульев, не приостанавливало начавшийся слет пчел. Однако они не облетали препятствие, а задерживались перед ним и вскоре погибали. В декабре–январе в течение дня между доской и ульем собиралось до 1700–2500 пчел. Все они вскоре впадали в холодовое оцепенение и погибали.

На техногенно загрязненных территориях в течение осенне-зимнего периода чаще всего происходил слет отдельных семей и реже – всей пасеки. Слеты отдельных семей происходили в периоды осенне-зимних оттепелей. Слеты одной, реже двух из 10 семей, кормовой участок которых находился на расстоянии 20–300 м от загруженной автомагистрали, происходили в середине зимы при температуре от 0 до 5°С. Слет всех семей, находившихся под наблюдением, произошел в октябре–ноябре при температуре от 3 до 7°С. В течение летнего сезона кормовой участок этих пчелиных семей подвергался интенсивному техногенному загрязнению, что было связано с расширением автомагистрали и возведением эстакады, для чего были использованы тяжелые дорожные машины, выхлопы которых наряду с проходящим транспортом интенсивно загрязняли воздух и медоносную растительность.

В ульях слетевших семей оставалось по 14–21 кг корма (практически полный зимний запас) и от десятков до нескольких сотен погибших пчел. Они образовывали неупорядоченные по размещению в гнездах плотные полусферические скопления на пустых или частично заполненных медом участках сот. В каждом скоплении находилось от 70 до 110 рабочих особей. Наряду с ними на разных участках сот встречалось по одной погибшей пчеле, прикрепившихся ножными коготками к поверхности ячеек. В гнезде одной из семей обнаружено 217 ячеек запечатанного расплода, представленного разновозрастными куколками. Погибших маток в ульях слетевших семей не обнаружено.

Содержание свинца и кадмия в кормовых запасах и теле пчел, оставшихся в слетавших семьях. При массовом слете пчелиных семей в меде, остававшемся в ульях, содержалось около 2.5 мг/кг свинца и 0.3 мг/кг кадмия. В пыльце содержание свинца достигало 21 мг/кг, а кадмия – примерно соответствовало его содержанию в меде (табл. 4). В других экологических ситуациях, когда ульи покидали отдельные пчелиные семьи, содержание свинца в меде находилось на уровне ~1 мг/кг, кадмия – 0.03 мг/кг, а в пыльце – 9 мг/кг и 0.11 мг/мг соответственно (табл. 1).

Тело куколок, оставленных в покинутых гнездах слетавших семей, занимало по содержанию свинца и кадмия промежуточное положение между содержанием этих элементов в меде и пыльце (табл. 4), что соответствует расходованию взрослыми пчелами углеводного и белкового корма на выкармливание расплода. В теле взрослых пчел содержалось в среднем 5.4 ± 0.46 мг/кг свинца и 0.304 ± 0.032 мг/кг кадмия. Как и в других экологических ситуациях, эти элементы неравномерно распределялись в трех отделах тела пчел. Наибольшим содержанием свинца и кадмия отличались брюшные отделы, наименьшим – головные (табл. 4). По содержанию свинца брюшные отделы превосходили головные в 4.77 (р ⩾ 0.999), по кадмию – в 1.97 раза (р ⩾ 0.99).

ОБСУЖДЕНИЕ

Качество углеводного корма пчелы контролируют рецепторами, расположенными на лабиальных пальпах ротового аппарата. Эти рецепторы обладают низкой чувствительностью к изменениям концентрации углеводных растворов (Bachman, Waller, 1977), но воспринимают наличие в них незначительных примесей хлорида натрия (Еськов, Кострова, 1996).

Реагирование пчел на примеси в углеводном растворе солей свинца и кадмия обеспечивается вкусовыми рецепторами ротовых аппаратов. Порог чувствительности вкусовых рецепторов к соли свинца в растворе сахарозы составляет ~0.5 мг/л. К кадмию, токсичность которого для пчел примерно на порядок выше токсичности свинца, порог чувствительности находится на уровне 0.2 ± 0.05 мг/л.

Пчелы, находясь в садках или в ульях в пассивный период жизни пчелиных семей, не имеют возможности освобождать ректумы от поллютантов, что происходит у свободно летающих пчел в процессе экскреции во время очистительных облетов. Поэтому в осенне-зимний период при потреблении загрязненного корма свинцом и/или кадмием в теле пчел происходит аккумуляция этих элементов, неравномерно распределяющихся в отделах тела и пищеварительного тракта.

У пчел, содержащихся в садках, отказ от потребления корма и их немотивированные осенне-зимние слеты из ульев происходят при сходных накоплениях свинца и/или кадмия в головных и брюшных отделах тела. Критический уровень накопления свинца головными отделами, модифицирующий поведение пчел, составляет 1.7 ± 0.09 мг/кг. Большим сходством по накоплению свинца характеризуются также брюшные отделы и/или ректумы пчел. При немотивированных слетах пчел содержание свинца в брюшных отделах, большую часть массы которых составляют ректумы, достигает 8.0–8.2 мг/кг, а в случаях отказа от потребления корма в садках – от 8.8 до 10.4 мг/кг. Уменьшение содержания свинца в брюшных отделах слетавших пчел по отношению к пчелам, содержавшимся в садках (в среднем на 18%), объясняется влиянием кадмия, загрязнявшего и мед, и пыльцу.

Вероятно, аномалии запрограммированного и модифицируемого поведения пчел обусловливаются преимущественно накоплением поллютантов в головных отделах. Возрастающей аккумуляцией свинца и/или кадмия в ректумах при невозможности дефекации обеспечивается увеличение этих элементов до критических уровней в головных отделах.

От содержания поллютантов в трофических субстратах, потребляемых пчелами, зависит продолжительность периода от начала их пассивной жизни до совершения немотивированных слетов. Вероятность их смещения от осени на зимний период возрастает с уменьшением содержания свинца и/или кадмия в зимних кормовых запасах и, соответственно, с увеличением времени, необходимого для достижения критических уровней накопления этих элементов в головных и брюшных отделах пчел.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предотвращению немотивированных слетов пчелиных семей, содержащихся на техногенно загрязненных территориях, может способствовать замена загрязненных кормовых запасов, потребляемых в течение зимовки. Для этого в гнездах пчелиных семей в конце лета целесообразно изымать кормовые запасы, а пчелам давать на переработку чистый углеводный корм. Пчелиные семьи в состоянии за 2–3 недели перенести в ячейки сот и переработать в зимние кормовые запасы до 20 л 50–60%-го раствора сахарозы.

Поскольку наибольшее количество свинца и кадмия накапливает пыльца, то особенно важно удалять из ульев соты, ячейки которых заполнены пыльцой. Это предотвратит выращивание пчелиными семьями расплода в конце зимовки, замедлит их развитие в начале весны, но обеспечит повышение жизнеспособности в условиях, неблагоприятных по загрязненности тяжелыми металлами.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены.