Abstract

Metaalvervuiling kan de afname van de individuele lichaamsgrootte veroorzaken. Bij mieren kan de themorfologische diversiteit binnen en tussen kolonies veel groter zijn dan tot nu toe werd aangenomen, zelfs bij monomorfe mieren. In deze studie hebben wij de lichaamsgrootte, uitgedrukt als kopbreedte, gemeten van Lasius niger werksters uit 44 jonge kolonies in hunergonomische fase langs een bekende gradiënt van chronische metaalverontreiniging. Wij berekenden statistieken die de distributiecurve van de lichaamsgrootte beschrijven, namelijk het gemiddelde, de mediaan, de datarange, de scheefheid en de kurtosis. Geen van deze statistieken was gecorreleerd met het verontreinigingsniveau. In tegenstelling tot onze vorige studie, uitgevoerd op volwassen kolonies, vertonen de werksters van jonge kolonies geen morfologische veranderingen die verband houden met de vervuiling. De resultaten benadrukken het belang van het ontwikkelingsstadium van de kolonie op de diversifiëring van de lichaamsgrootte van de werksters, bij monomorfe soorten die leven in door metaalverontreiniging getroffen gebieden.

1. Sommige sociale insecten hebben morfologisch verschillende subkasten van werksters ontwikkeld, die zich toeleggen op verschillende taken in de kolonie. De meeste mierensoorten en -geslachten hebben echter één enkele, gedragsmatig flexibele groep werksters. Hoewel ze monomorf zijn, kan er toch een aanzienlijke variatie bestaan in de grootte van de werksters binnen en tussen de kolonies. Hoewel een dergelijke variatie over het algemeen werd beschouwd als te klein om relevant te zijn voor de taakverdeling, heeft de recente studie deze bewering effectief betwist. Werksters van de monomorfe soort Temnothorax rugatulus die buiten het nest foerageren zijn mogelijk groter dan de werksters binnen het nest. Monomorfisme betekent dus niet noodzakelijk de afwezigheid van een aan lichaamsgrootte gerelateerde taakverdeling. De vraag kan ook worden gesteld in hoeverre de lichaamsgrootte van monomorfe mieren kan worden gewijzigd in een vervuilde en gestresste omgeving. Zowel veldstudies als laboratoriumexperimenten hebben aangetoond dat bij veel ongewervelde diersoorten de individuele lichaamsgrootte kan afnemen langs de gradiënt van metaalverontreiniging. Significante afnames in lichaamsgrootte zijn ook waargenomen langs verstedelijkingsgradiënten. Echter, zoals veel andere auteurs aangaven, kan de relatie tussen lichaamsgrootte en verstedelijking of metaalvervuiling druk veel complexer zijn en niet altijd worden beschreven als eenvoudige toename of afname.

In onze vorige studies analyseerden we de lichaamsgrootte van de monomorfe mier Lasius niger (L., 1758) langs een bekende gradiënt van metaalvervuiling . Wij testten de lichaamsgrootte in de verwachting dat deze zal afnemen langs de toenemende gradiënt van metaalverontreiniging als gevolg van toxiciteit en/of voedselbeperking. Wij vonden dat de gemiddelde lichaamsgrootte geen verband hield met de verontreiniging, maar dat de frequentie van relatief kleine mieren toenam met het verontreinigingsniveau. De vorm van de lichaamsgrootteverdeling lijkt dus te reageren op omgevingsstress, hoewel de onderzochte mier als monomorf wordt beschouwd. Wij vonden een gelijkaardige toename van relatief kleine mieren zonder verandering in de mediane of gemiddelde grootte bij de verwante soort Lasius flavus (Grześ, Okrutniak ongepubliceerd). Wij stelden de hypothese voor dat de waargenomen verandering zou kunnen worden onderstreept door energetische beperkingen in de kolonie. De studie op Lasius niger werd uitgevoerd op volgroeide kolonies, in het voortplantingsstadium, namelijk het stadium van de intensieve sexuele worpproductie, die energetisch kostbaar is om te kweken . De vraag lijkt dus te zijn of de waargenomen verandering afhangt van het ontwikkelingsstadium van de kolonie.

In de huidige studie onderzochten wij 44 jonge nesten (die geen sexuele afwerpselen produceerden) van Lasius niger, gelegen langs een bekende verontreinigingsgradiënt, die dezelfde was als die welke in de vorige studie werd gebruikt. De lichaamsgrootte (uitgedrukt als kopbreedte) werd gemeten. Wij vergeleken de statistieken die de centrale tendens en de distributievorm langs de verontreinigingsgradiënt beschrijven.

2. Materialen en methodes

2.1. De zwarte tuinmier (Lasius niger) is een van de meest voorkomende soorten in het Palearctisch gebied. Uit onze vorige studie bleek dat L. niger de meest voorkomende mier is, vergeleken met andere soorten die in het onderzochte gebied voorkomen. De soort bewoont verschillende antropogene milieus zoals landbouwgronden, weiden, ruderale plaatsen, of groene ruimten in stedelijke gebieden. L. niger is strikt monogyn en monomorf, en bouwt minerale nestheuvels die honderd tot meer dan tienduizend werksters bevatten. De soort in kwestie is zowel bladluis- als carnivoor.

Het studiegebied bevindt zich in de omgeving van Olkusz in Zuid-Polen. De metaalconcentraties in de humuslaag op de meest verontreinigde plaatsen in deze regio bedragen meer dan 9600 mg/kg voor zink, 1500 mg/kg voor lood, en 80 mg/kg voor cadmium . Eerdere studies in het gebied hebben aangetoond dat de metaalconcentraties in de bodem sterk gecorreleerd zijn met elkaar. Vijftien onderzoekslocaties werden langs de verontreinigingsgradiënt aangelegd en bestreken verlaten akkers en verse weiden. Het transect strekte zich uit van 0,7 tot 35 km van de verontreinigingsbron. De metaalconcentraties op de locaties namen af naarmate de afstand tot de smelterij groter werd en benaderden het achtergrondniveau op de locaties die verder dan 25 km van de smelterij lagen. De onderzoekslocaties bestonden uit verlaten akkers (11 locaties), gemaaide weilanden (1 locatie) en industrieel braakland (3 locaties).

2.2. Verontreinigingsgraad

Om een biologisch realistische maat te geven van de verontreinigingsgraad van elke site, analyseerden we Zn- en Cd-concentraties in een willekeurige steekproef van ongewervelden die op elke site werden verzameld in een inleidende studie in de zomer van 2011. De Zn-concentratie in ongewervelden correleerde positief met zowel de Cd-concentratie in ongewervelden als de Zn-totaalbodemconcentraties. De laagste en hoogste Zn-concentraties in ongewervelden waren goed voor 134 en 1.545 mg/kg droog gewicht (d.w.). De gedetailleerde Zn- en Cd-concentraties in ongewervelden en in de bodemmonsters, alsook de botanische beschrijving van de onderzoekslocaties worden gerapporteerd in (zie locaties S1-S3, S5, S6, S8, S10-S12, en S14-S19). De Zn-concentratie in ongewervelde dieren werd gebruikt als indicator van de verontreinigingsgraad.

2.3. Morfologische Metingen

De soortidentificatie volgde. In elk van de 15 studiegebieden werden 3 jonge kolonies van L. niger geselecteerd (15 × 3 = 45). Eén kolonie werd van de uiteindelijke analyse uitgesloten als gevolg van een vergissing tijdens de bemonstering. Alle kolonies werden gecontroleerd op de afwezigheid van sexuele uitwerpselen. Een willekeurig monster van ongeveer werksters uit elk nest werd verzameld met behulp van een afzuigapparaat en bewaard bij -5°C totdat het werd gemeten. De lichaamsgrootte van de mieren werd uitgedrukt als de maximale kopbreedte boven de ogen (HW) . Alle metingen van de kopbreedtes werden uitgevoerd onder een vergroting van 50x met een metallografische microscoop Met-153 (Motic, China) aangesloten op een digitale camera (Huvitz, Korea). De kopbreedtes werden tot op 0.00001 mm nauwkeurig gemeten op basis van digitale foto’s met behulp van Panasis, ver. 2.4.2, Huvitz. Om de nauwkeurigheid van de metingen te controleren werden 30 mieren tweemaal gemeten. De resultaten van de eerste en de tweede reeks metingen werden gecorreleerd. Een hoge correlatiecoëfficiënt (, ) duidde op een hoge herhaalbaarheid van de metingen. Bij L. niger-mieren groeit het nestvolume bijna evenredig met de koloniegrootte; daarom werd de diameter van het nestbasisoppervlak gebruikt als een schatter van de koloniegrootte. In alle kolonies die in deze studie werden gebruikt, varieerde de diameter van de terp van 10 tot 47 cm (de mediaan bedroeg 19,0 cm).

2.4. Statistische Procedures

Om de relaties tussen de vervuilingsgraad en de lichaamsgrootte van L. niger te testen, werden de beschrijvende statistieken van de kopbreedte, met inbegrip van het gemiddelde, de mediaan, en de spreiding, evenals kurtosis en skewness, berekend. Elk van deze statistieken werd berekend voor elke kolonie en werd afzonderlijk gecorreleerd met de verontreinigingsniveaus van de locaties (Zn-concentratie in de ongewervelden). De significantie van elk verband werd getest met een eenvoudige regressie (Statgraphics Centurion XV) met een betrouwbaarheidsniveau van 95%, gevolgd door een controle op de normaliteit van de residuen. Bij mieren kan de lichaamsgrootte gecorreleerd zijn met de grootte van de kolonie. Om de invloed van de koloniegrootte uit te schakelen alvorens de correlatie met het vervuilingsniveau te leggen, werd elke statistiek eerst gecorreleerd met de koloniegrootte. De residuen werden vervolgens uitgezet tegen de verontreinigingsgraad. Bij het testen van het verband tussen kopgrootte en verontreiniging werd dus alleen het deel van de variantie gebruikt dat niet door de koloniegrootte werd verklaard. Aangezien op elke plaats drie mierennesten werden verzameld, werden de waarden van de residuen voor elk van de statistieken gemiddeld om een probleem van pseudoreplicatie te vermijden.

3. Resultaten

De gemiddelde kopgrootte varieerde tussen 700 en 965 μm. De kopgrootte verschilt significant tussen kolonies (one-way ANOVA, , ; Figuur 1). De grootteverdeling in elke kolonie week niet significant af van de normale verdeling, aangezien zowel de st. skewness als de st. kurtosis binnen het voor een normale verdeling verwachte bereik lagen -2 tot +2. Geen enkele statistiek (gemiddelde, mediaan, spreiding, st. scheefheid, en st. kurtosis) correleerde significant met de verontreiniging van de vindplaats (telkens, Tabel 1).

Figuur 1

De resultaten van de eenzijdige ANOVA van de kopgrootte van de mier Lasius niger verzameld uit 44 kolonies. De punten vertegenwoordigen de gemiddelde waarde die per kolonie is berekend. De cirkels geven de 95%-intervallen van de LSD-test aan. Aangezien de kolonies significant verschillen in de gemiddelde kopgrootte van de werksters.

4. Discussie

Het doel van deze studie was te testen of de bias naar de hogere frequentie van kleine mieren, die in vorige studies in volgroeide kolonies van Lasius niger werd vastgesteld, zich ook voordoet in de jongere kolonies van deze soort. Op basis van onze studie werd geen significante toename van de fractie kleine mieren gevonden langs de vervuilingsgradiënt. Daarentegen bleken grote en volgroeide kolonies eerder een grotere fractie kleine werksters te bevatten langs de gradiënt van toenemende metaalverontreiniging. De verandering in de vorm van de verdeling van de lichaamsgrootte in de onderzochte mier lijkt dus samen te hangen met het ontwikkelingsstadium van de kolonie. In zowel de vorige als de huidige studie gebruikten we dezelfde soort, hetzelfde studiegebied, dezelfde meetprocedures en een vergelijkbaar aantal kolonies (, ) en identiek aantal individuen per kolonie (). Daarom zijn wij van mening dat de vergelijking tussen volwassen en jonge kolonies in de studie verplicht moet zijn.

Trace metal pollution is known to cause a range of toxic effects on invertebrates . Wat de effecten op de morfologie betreft, kan metaalverontreiniging morfologische misvormingen , de toename van ontwikkelingsinstabiliteit , en verminderde lichaamsgrootte induceren . In het algemeen kunnen drie mechanismen de negatieve invloed van metalen op de lichaamsgrootte/massa onderstrepen: (1) toxiciteit van metalen gebaseerd op de verdringing van de essentiële metalen uit enzymen op actieve sites, wat resulteert in verlies van hun functie, (2) trade-offs tussen de kosten van detoxicatie en energie toewijzing aan groei en ontwikkeling , en (3) beperkte beschikbaarheid van voedsel in verontreinigde gebieden . In deze studie concluderen we dat L. niger bepaalde morfologische veranderingen kan ondergaan langsheen de vervuilingsgradiënt, maar de verandering lijkt geassocieerd te zijn met rijpe kolonies maar niet met jonge kolonies. Deze waarneming kan worden verklaard in het licht van de kolonieontwikkeling en de energietoewijzing binnen de kolonie.

In mieren kunnen drie hoofdfasen van kolonieontwikkeling gedurende de levensduur worden onderscheiden. De eerste fase, “kolonievorming” genoemd, wordt gekenmerkt door de afwezigheid van volwassen werkers; de enige aanwezige volwassene is de eierleggende koningin. De ontwikkeling van de kolonie in dit stadium is in geringe mate afhankelijk van externe voedselbronnen, maar blijft sterk afhankelijk van de hoeveelheid vet die de koningin accumuleert. Het moment van overgang naar het volgende stadium van kolonie-ontwikkeling, namelijk het ergonomische stadium, is de eclosie van de eerste werksters. In dit stadium houdt de koningin zich uitsluitend bezig met het leggen van eieren, terwijl de werksters zich met de broedzorg bezighouden. Dientengevolge wordt in dit stadium de energie-investering in de kolonie veeleer besteed aan de groei van de kolonie dan aan de voortplanting of de verspreiding. Wanneer het aantal volwassen werksters een bepaald niveau bereikt, begint de productie van maagdelijke koninginnen en mannetjes; de kolonie komt dan in de voortplantingsfase. Daarom besteden jonge kolonies hun middelen aan het grootbrengen van werksters, waardoor de groei van de kolonie wordt bevorderd, terwijl volwassen kolonies de energie moeten verdelen over een nieuwe generatie werksters en in sexuele kasten. Het grootbrengen van mannetjes en vrouwtjes in volgroeide kolonies die zich in de voortplantingsfase bevinden, vergt waarschijnlijk meer inspanning dan het eenvoudig grootbrengen van werksters in de jonge kolonies die zich in dezelfde voortplantingsfase bevinden. Tschinkel heeft waargenomen dat werksters van de Pogonomyrmex mieren 20% vet verliezen tijdens de mannelijke en vrouwelijke voedingsfase die in juli plaatsvindt. Daarom zou de verhoogde fractie van kleine werksters, waargenomen in volwassen kolonies, maar niet in jonge kolonies, een effect kunnen zijn van energiebeperking tijdens de intensieve productie van sexuelen.

5. Conclusies

Wij vonden de met de vervuiling samenhangende toename van de fractie van relatief kleine werksters in de jonge kolonies van L. niger vergelijkbaar te zijn met die welke werden gevonden in het vorige analoge onderzoek dat werd uitgevoerd op de volgroeide kolonies. De resultaten van deze studie suggereren dat de verdeling van de lichaamsgrootte bij de monomorfe mier Lasius niger verschuivingen kan ondergaan als gevolg van de interactie tussen metaalverontreiniging en de ontwikkelingsfase van de kolonie. Energetische beperkingen tijdens de seksuele opfok zouden het aangetoonde verschil tussen jonge en volwassen kolonies kunnen verklaren.

Conflict of Interests

De auteurs verklaren dat er geen belangenconflict is met betrekking tot de publicatie van dit artikel.

Acknowledgment

Deze studie werd ondersteund door The National Science Centre (NCN), op basis van besluit DEC- 2011/01/D/NZ8/00167.