Biohemijski i fiziološki parametri stanja medonosne pčele (Apis mellifera L.) tokom letnjeg i zimskog perioda na staništima sa različitim antropogenim uticajem

Abstract

Medonosna pčela (Apis mellifera Linnaeus, 1758) je široko rasprostranjena vrsta iz grupe socijalnih insekata, glavni oprašivač mnogih divljih biljaka i poljoprivrednih kultura. Pored njene primarne uloge u oprašivanju, koristi se i za dobijanje pčelinjih proizvoda, pre svega meda, voska i propolisa, čime se dodatno naglašava njen privredni značaj. Uzimajući u obzir značaj medonosne pčele, a sa druge strane aktuelan problem pada broja kolonija, postoji potreba za razumevanje uzroka i procenu rizika koji leže u osnovi ovog kompleksnog problema. Stoga, istraživanja u ovoj doktorskoj disertaciji obuhvataju praćenje biohemijskih i fizioloških parametara kod medonosne pčele kao pokazatelja stanja pčelinjih zajednica tokom letnjeg i zimskog perioda na staništima sa različitim antropogenim uticajem. U prvoj fazi istraživanja su izvedeni akutni laboratorijski testovi izlaganja medonosne pčele subletalnim dozama pesticida, tiakloprida i klotianidina, a dobijeni rezultati su ukazali na narušenu neurotransmisiju, na izmene u aktivnosti antioksidativnih enzima i redoks statusa u ćeliji, kao i na imunosupresiju. U drugoj fazi istraživanja su analizirane kolonije medonosne pčele sa različitih lokaliteta na području AP Vojvodine, sa primenom stacionarnog i migratornog tipa pčelarenja, tokom letnjeg i zimskog perioda, a dobijeni rezultati su ukazali na značajne razlike u biohemijskom odgovoru medonosne pčele u zavisnosti od starosti pčela, sezone godine i tipa pčelinjaka. Na osnovu rezultata prethodne dve faze istraživanja, izvršen je odabir uzoraka, kao i izbor parametara za treću fazu istraživanja, gde je praćeno stanje medonosne pčele iz stacionalnih pčelinjih zajednica, tokom letnjeg aktivnog perioda, kao i početkom i krajem zimskog perioda mirovanja pčela, sa tri lokaliteta u Republici Srbiji sa različitim stepenom urbanizacije i industrijalizacije: Beograd kao urbano, Susek kao ruralno i Zajača kao industrijsko područje. Dobijeni rezultati su ukazali na značajne razlike u zavisnosti od sezone godine, kao i lokaliteta sa različitim antropogenim uticajem. Zimske pčele, krajem perioda mirovanja u odnosu na početak mirovanja, karakteriše viši nivo antioksidativne zaštite, udružen sa visokim stepenom oksidativnih oštećenja, zatim bolja imunokompetencija, kao i niske energetske rezerve u masnom telu. Sezonskim povećanjem temperatura tokom godine povećava se sadržaj zasićenih, dok se smanjuje udeo nezasićenih masnih kiselina, gde se oleinska 18:1(9) kiselina izdvaja kao dominantna komponenta u ukupnom sadržaju masnih kiselina masnog tela pčela sa sve tri lokacije, tokom sva tri perioda. Niži nivo ukupnih ugljovodonika je još jedna fiziološka karakteristika zimskih pčela. Takođe, zapažene su promene i u neurotransmisiji holinergičkog tipa tokom sezone, sa višim aktivnostima acetilholinesteraze kod pčela krajem zime i tokom leta. Metabolomičkom analizom hemolimfe pčela je identifikovano 125 metabolita, uključenih u 36 metaboličkih puteva, gde se kao biomarkeri od značaja za razlikovanje letnjih i zimskih pčela izdvajaju metaboliti u metabolizmu glicerolipida i aminokiseline glicin, cistein, glutamin, fenilalanin, prolin i lizin. Poređenjem dobijenih rezultata između različitih lokaliteta, pčele iz Beograda se izdvajaju sa nižim nivoom oksidativnog stresa, nižim aktivnostimaacetilholinesteraze, kao i fenol oksidaze i glukoza oksidaze, ključnih enzima u imunom odgovoru pčela. Pčele iz Suseka su se izdvojile sa najvećom masom masnog tela, što ukazuje na dobre nutritivne i energetske rezerve u pčelama tokom zime i leta, dok se Beograd izdvaja sa značajno višim udelom nezasićenih masnih kiselina u masnom telu pčela. Takođe su zabeležene razlike u relativnoj zastupljenosti n-alkana u pčelama sa različitih lokaliteta, te je u Beogradu najzastupljeniji nonakozan (C29), dok je heptakozan (C27) najzastupljeniji u uzorcima pčela iz Suseka i Zajače. Analizom sadržaja metala u pčelama, pergi i medu, zapažamo da svaku sredinu karakteriše specifičan profil zagađenja, kao i da je u medu znatno niža koncentracija svih analiziranih metala. Dobijeni rezultati pružaju dobru osnovu za dalja ispitivanja biološkog odgovora medonosne pčele, u pogledu uticaja faktora okruženja, a time i dalje definisanje odgovarajućih mera zaštite pčelinjih zajednica.

The honey bee (Apis mellifera Linnaeus, 1758) is a‚widespread social insect species and the main pollinator of various wild plants and agricultural crops.In addition to its primary role in pollination, the honey bee is also used for obtaining honeybee products, mostly honey, wax, and propolis, with a significant role in the economy. Number of honey bee colonies is declining, thus necessitating the assessment of underlying reasons and risks. Therefore, in this doctoral dissertation, biochemical and physiological parameters in the honey bee were monitored as indicators of the colonies’ condition during the summer and winter period in habitats with different anthropogenic impacts. In the first phase of the research, acute laboratory tests of honey bee exposure to sublethal doses of pesticides (thiacloprid and clothianidin) were performed and the obtained results indicated impaired neurotransmission, changes in the activity of antioxidant enzymes, and redox status in the cell, as well as immunosuppression. In the second phase of the research, honey bee colonies from different localities in the area of AP Vojvodina were analyzed, using the stationary and migratory types of beekeeping, during the summer and winter period, and the obtained results indicated significant differences in the biochemical response of the honey bee depending on the age of the bees, the season of the year, and the type of apiary. Based on the results of the previous two phases of the research, the selection of samples was performed, as well as the selection of parameters for analysis within the third phase of the research, where the condition of honey bees from stationary bee communities was monitored during the summer active period, as well as the beginning and end of winter dormancy of bees, from three localities in the Republic of Serbia with different degrees of urbanization and industrialization: Belgrade as urban, Susek as rural and Zajaca as industrial area. The obtained results indicated significant differences depending on the season of the year, as well as the location with different anthropogenic influence. Older winter bees are characterized by a higher level of antioxidant protection, associated with a high degree of oxidative damage, better immunocompetence, as well as lowenergy reserves in the fat body. The seasonal increase in the temperature during the year increases the content of saturated while decreasing the ratio of unsaturated fatty acids, where oleic 18:1(9) acid stands out as the dominant component in the total fatty acid content of bee body fat from all three locations, during all three periods. The lower level of total hydrocarbons is another physiological characteristic of winter bees. Also, changes in cholinergic neurotransmission were observed during the season, with higher acetylcholinesterase activities in bees in late winter and summer. Metabolomic analysis of bee hemolymph identified 125 metabolites,included in 36 metabolic pathways, where metabolites in the metabolism of glycerolipids and amino acids glycine, cysteine, glutamine, phenylalanine, proline, and lysine stand out as biomarkers of importance for distinguishing summer and winter bees. By comparing the obtained results between different localities, honey bees from Belgrade stand out with lower levels of oxidative stress, lower activities of acetylcholinesterase as well as phenoloxidase and glucose oxidase, key enzymes in the immune response of bees. The honey bees from Susek had the largest mass of the fat body, which indicates good nutritional and energy reserves in bees during winter and summer, while the honey bees from Belgrade were shown to have a significantly higher ratio of unsaturated fatty acids in the fat body of bees during the year. There were also differences in the relative prevalence of n-alkanes in honey bees from different localities, nonacosane (C29) being the most common in Belgrade, while heptacosane (C27) is most prevalent in honey bee samples from Susek and Zajaca. By analyzing the metal content in honey bees, perga, and honey, it was noted that each environment is characterized by a specific pollution profile, as well as that the concentration of all analyzed metals in honey is significantly lower compared to samples of bees and perga. The obtained results provide a good basis for further studies of the biological response of the honey bee, in terms of the influence of the environmental factors, enabling further defining of appropriate measures for the protection of honey bee colonies.