Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Активность пищеварительных ферментов растительноядных рыб на разных этапах онтогенеза

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Волкова, Ирина Владимировна, Астрахань

- ( ' О "<■ ' /

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВОЛКОВА ИРИНА ВЛАДИМИРОВНА

АКТИВНОСТЬ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНЫХ ФЕРМЕНТОВ РАСТИТЕЛЬНОЯДНЫХ РЫБ НА РАЗНЫХ ЭТАПАХ ОНТОГЕНЕЗА

Специальность: 03.00.13 - Физиология человека и животных

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

АСТРАХАНЬ -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение. 5

Глава 1. Обзор литературы. 10

1.1. Современные концепции пищеварения у рыб. 10

1.1.1. Пищеварение у личинок. 10

1.1.2. Пищеварение у взрослых рыб. 25

1.2. Особенности пищеварения у растительноядных рыб. 37

1.3. Влияние факторов среды на процессы выращивания раститель- 48 ноядных рыб.

Глава 2. Материалы и методы исследования. 51

2.1. Объект исследований. 51

2.1.1. Систематическое положение. 51

2.1.2. Биология вида. 52

2.2. Постановка экспериментов. 54

2.3. Определение активности ферментов. 56

2.3.1. Техника приготовления ферментативноактивных препа- 56 ратов.

2.3.2. Определение общей амилолитической и сахаразной ак- 57 тивностей.

2.3.3. Определение активности а-амилазы. 59 I 2.3.4. Определение активности нейтральной и щелочной проте- 60

аз.

2.4. Статистическая обработка. 62

Глава 3. Исследование динамики активности пищеварительных 64

»

ферментов у личинок растительноядных рыб в раннем постэмбриогенезе.

3.1. Динамика общей амилолитической активности. 64

3.2. Динамика активности а-амилазы. 68

3.3. Динамика активности сахаразы. 71

3.4. Динамика активности нейтральной протеазы. 74

3.5. Динамика активности щелочной протеазы. 78

3.6. Статистическая обработка данных. 85

3.6.1. Корреляционный анализ. 85

3.6.2. Регрессионный анализ. 91

► Глава 4. Исследование изменения активности пищеварительных 103 ферментов у растительноядных рыб в мальковом периоде.

4.1. Изменение общей амилолитической активности. 103

4.2. Изменение активности а-амилазы. 106

4.3. Изменение активности сахаразы. 110

4.4. Изменение активности нейтральной протеазы. 115

4.5. Изменение активности щелочной протеазы. 117 Глава 5. Особенности реализации пищеварительной функции у 125

взрослых растительноядных рыб различных возрастных групп.

5.1. Изменение общей амилолитической активности . 126

' 5.2. Изменение активности а-амилазы. 130

5.3. Изменение активности сахаразы. 134

5.4. Изменение активности нейтральной протеазы. 138

5.5. Изменение активности щелочной протеазы. 143 Глава 6. Состояние кормовой базы и гидрохимических показателей в 155

мальковых и выростных прудах.

Заключение. 163

Выводы. 188

Список литературы. 191

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Известно, что использование на практике индустриальных методов получения рыбной продукции требует разработки теоретической базы. В первую очередь это касается вопросов рационального использования природных ресурсов, разработки методов направленного формирования кормовой базы в прудах, нормирования и режимов кормления. Однако исследование только потребления пищи рыбой не дает полного представления об ее утилизации. Это создает необходимость изучения гидролитической функции кишечника рыб, в частности, влияния субстратной нагрузки на активность ферментов, а также взаимосвязей, существующих между отдельными цепями гидролиза пищевых компонентов.

Работы А.М. Уголева (1960) и В. В Кузьминой (1995, 1997) в области исследования мембранного пищеварения способствовали ревизии существовавших представлений о развитии пищеварительной функции, в том числе и у рыб. При этом следует отметить, что в изучении возрастных изменений уровня активности различных гидролаз слизистой оболочки кишечника у рыб основное внимание было уделено ранним этапам постэмбрионального развития (Ильина, 1983; Кузьмина, Стрельникова, 1985; Едогоуа et а1, 1997 и др.).

Как известно, на ранних этапах онтогенеза у растительноядных рыб наблюдаются значительные изменения спектра питания, что связано с переходом от потребления личинок зоопланктона к пище, свойственной тому или иному виду во взрослом состоянии (Золотова, 1976; Виноградов, 1985). Одновременно происходит становление пищеварительной функции, которое можно проследить на примере перестройки активности пищеварительных ферментов, осуществляющих гидролиз компонентов пищи (Уголев, Кузьмина, 1993).

На протяжении последнего ряда лет особое внимание многих исследователей направлено на изучение механизмов биохимической адаптации функций систем организма к различным экологическим факторам (Кузьмина, 1991, 1997; Не-валенный, 1997). Особенно отчетливо эти перестройки прослеживаются у рыб, что связано с более тесной зависимостью пойкилотермных животных от факторов окружающей среды, которые в значительной степени способны влиять на гидролитические процессы, протекающие в кишечнике (Кузьмина, Неваленный, 1986; Егоров, 1995; Неваленный, 1997; Кузьмина, Голованова, 1997).

В связи с этим, пищеварительная система рыб с ее гибкими адаптационными механизмами способна выступать в качестве удобной и наглядной модели для решения целого ряда фундаментальных вопросов физиологии.

Цель исследования - изучить развитие пищеварительной функции в онто-> генезе у растительноядных рыб, на примере собственно кишечных и адсорбированных на слизистой оболочке кишечника ферментов, осуществляющих гидролиз углеводных и белковых компонентов пищи.

В ходе работы предстояло решить следующие задачи:

1. Изучить динамику активности пищеварительных ферментов у белого амура, белого и пестрого толстолобиков на протяжении личиночного и малькового периодов развития.

2. Исследовать особенности реализации пищеварительной функции у растительноядных рыб старших возрастных групп.

3. Оценить состояние кормовой базы и гидрохимических показателей в мальковых и выростных прудах, используемых для выращивания растительноядных рыб.

4. Выявить статистические закономерности связей между активностью пи-

щеварительных ферментов изучаемых видов рыб, состоянием кормовой базы и гидрохимическими показателями мальковых и выростных прудов.

Научная новизна. Впервые получены материалы по исследованию активности пищеварительных ферментов, осуществляющих расщепление углеводной части пищи (суммарная карбогидразная активность, а-амилаза, сахараза) и белковой (нейтральная и щелочная протеазы) на всех этапах личиночного и малькового периодов, а также у старшевозрастных групп белого амура, белого и пестрого толстолобиков.

Установлено наличие видовых адаптивных перестроек пищеварительной функции у растительноядных рыб при однотипных изменениях условий окружающей среды, которые проявляются уже на ранних этапах онтогенеза, когда характер потребляемого корма еще одинаков.

» Полученные данные позволяют более глубоко проникнуть в сущность закономерностей гидролитического расщепления компонентов пищи у белого амура, белого и пестрого толстолобиков в онтогенезе.

Теоретическая и практическая значимость работы. Изучение изменений пищеварительных процессов с возрастом у растительноядных рыб дает возможность судить о потребностях их организма в пище в разные периоды жизни, а так же выявить реакции пищеварительной функции на изменение внешней среды. Работа вносит определенный вклад в решение ряда проблем трофологии, что связано с особенностями физиологического состояния пищеварительной системы на разных этапах онтогенеза рыб. Результаты работы затрагивают такие важные аспекты получения рыбной продукции, как рациональное использование естественной кормовой базы в прудах за счет изменения соотношения видов в поликультуре и ее направленного формирования в отдельные периоды жизни рыб.

Получены регрессионные модели, которые могут использоваться в практике аква-культуры, а также специалистами, занимающимися изучением вопросов пищева-

рения у рыб.

Материалы диссертационной работы включены в курсы лекций по экологии, трофологии гидробионтов, физиологии, методам рыбохозяйственных исследований Астраханского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на Международной конференции «Каспий - настоящее и будущее» (Астрахань, 1995), Международной научно - методической конференции «Современная аквакультура: проблемы образования и освоения новейших технологий» (п. Рыбное Московская обл., 1996), Международном симпозиуме «Ресурсосберегающие технологии в аквакультуре» (Адлер, 1996); Международной конференции, > посвященной 100 летию со дня рождения профессора Н.В. Поповой - Латкиной «Структурные преобразования органов и тканей на этапах онтогенеза в норме и при воздействии антропогенных факторов. Проблемы экологии в медицине» (Астрахань, 1996), первом конгрессе ихтиологов (Астрахань, 1997), научно-методических конференциях профессорско - преподавательского состава АГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 223 страницах машинописного текста, иллюстрирована 23 рисунками и 9 таблицами. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, указателя цитируемой литературы, включающего 284 источника, в том числе 217 отечественных и 67 иностранных.

Я выражаю сердечную благодарность моим руководителям: доктору сельскохозяйственных наук, профессору Зайцеву Вячеславу Федоровичу, доктору

биологических наук, профессору Неваленному Александру Николаевичу за научное руководство, а также Егорову Сергею Николаевичу за постоянное внимание и

помощь при выполнении работы.

►

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ' 1.1. Современные концепции пищеварения

1.1.1. Пищеварение у личинок

Открытие А. М. Уголевым в 1958 г. мембранного пищеварения привело к ревизии классического представления о процессах ассимиляции пищи и к изменению двухзвенной схемы (полостное пищеварение — всасывание) на трехзвенную (полостное пищеварение—мембранное пищеварение—всасывание). Соотношение этих типов пищеварения претерпевает в течение онтогенеза существенные изменения. При этом показано, что в период раннего постнатального развития мембранное пищеварение является доминирующим, тогда как полостное развито слабо (Уголев, 1967, 1972; 11до1еу е! а1., 1979). По ^ видимому, спектр ферментов тонкой кишки, участвующих в мембранном пищеварении нутриентов, формируется к концу эмбрионального периода (КоИогэку, 1969; АипссЫо et а1., 1981; ВеаиНеи е! а!., 1984; КоИогэку, 1984; Оиагогп, 1985). При этом показано, что в течение онтогенетического развития млекопитающих одни пищеварительные ферменты репрессируются (лактаза), другие индуцируются (сахараза, мальтаза), тогда как уровень третьих (амино-, ди-и трипептидаз, щелочной фосфатазы) меняется незначительно (Иезуитова и др., 1986). Однако выполненные ранее работы проведены, как правило, на ограниченном числе кишечных ферментов животных одного вида. Несмотря на многочисленные работы, посвященные развитию пищеварительных процессов в онтогенезе, до сих пор не существует ясной картины их видовых особенностей, а также сведений о распределении пищеварительных ферментов в различных отделах желудочно-кишечного тракта (Иезуитова и др., 1986).

На изученность ферментов у некоторых видов рыб указывает целый ряд авторов (Карзинкин и др., 1967; Щербина и др., 1976; Коновалов, 1978; Кузьмина,

1980; Егоров, 1995; Неваленный, Егоров, 1995; Егорова и др., 1996; Sarkar et ai, 1996; Беляева и др., 1997; Nevalenny, Korostelyov, 1997). Результаты проведенных работ свидетельствуют, что активность пищеварительных ферментов у рыб в онтогенезе подвержена значительным колебаниям (Kitamicago, Tachino, 1960а, 19606, 1960в; Kawai, Ikeda, 1971, 1973, 1975) и что между составом пищи и активностью пищеварительных ферментов имеется прямая связь (Щербина, 1971; Щербина и др., 1976; Kawai, Ikeda, 1973, 1975; Кузьмина, 1980; Егорова и др., 1997; Егорова, Егоров, 1998). Однако, работы по исследованию пищеварительной фйнкции в онтогенезе у растительноядных рыб практически отсутствуют.

В последнее время в связи с проблемами аквакультуры большое внимание ► уделяется изучению процессов переваривания компонентов именно у личинок рыб, так как эти процессы имеют свои особенности (Тимейко, Новиков, 1987; Oozeki, Bailey, 1995; Egorova et al, 1997).

Как известно, рыбы в своём развитии проходят ряд этапов, каждый из которых характеризуется определенным строением организма и его отношением с окружающей средой. Этапность в развитии в основном исследована на основании внешнего строения рыб. Однако развитие органов, связанных с питанием, также характеризуется этапностью и тесно связано с периодами развития внешней формы рыбы (Васнецов, 1946, 1948, 1953; Ланге, 1948; Еремеева, 1948). По определению В. В. Васнецова (1953), граница этапов — это не только скачкообразное изменение строения организма рыб, но и скачкообразное изменение физиологических процессов. Данных об изменении физиологических процессов, связанных с формированием пищеварительных функций при развитии рыб, явно недостаточно. Известно, что у большинства видов рыб в

эмбриональный период не происходит окончательного формирования пищеварительного аппарата, развитие и совершенствование которого

продолжается на последующих этапах постэмбриогенеза.

Как правило, к моменту перехода на внешнее питание несформированным остается желудок, а также некоторые структуры кишечника и ротового аппарата; поджелудочная железа обычно функционально организована (Tanaka, 1969), однако ферментная активность ее низка (Остроумова, Дементьева, 1981; Tanaka, 1971; Dabrowski, 1982; Lauff, Hofer, 1984 ¡Тимейко, Новиков, 1987).

Строение пищеварительного аппарата определяет размеры и, в конечном счете, тип организмов, которыми могут питаться личинки рыб. Переход к питанию определенными пищевыми объектами происходит строго в зависимости от этапа развития, как всего организма, так и пищеварительной системы рыб (Васнецов, » 1948, 1953). Резкое повышение активности пищеварительных ферментов, т.е. «скачок» в функции, обнаружен у форели (Kawai, Ikeda, 1973а; Дементьева, 1976) и осетра (Коржуев, Шаркова, 1967) с началом активного питания. Тогда же выявляется и активность протеолитических ферментов у карпа (Kawai, Ikeda, 19736; Шламинска, 1977), минтая (Oozeki, Bailey, 1995). Данные о развитии ферментативной функции на последующих этапах даже у одного вида настолько противоречивы, что явно нуждаются в дополнительных исследованиях. Так, японскими исследователями (Kawai, Ikeda, 19736) было обнаружено равномерное нарастание активности пищеварительных протеаз с ростом и развитием карпа, а польскими (Шламинска, 1977)—обнаружен период стабилизации активности протеаз от начала питания до 12-х суток развития личинок карпа. И.Н. Остроумовой и М.А. Дементьевой (1981) была установлена связь между резким повышением активности щелочных протеаз в кишечнике личинок карпа и значительными преобразованиями к этому времени (спустя две недели после

начала питания) гистологических структур поджелудочной железы, свидетельствующими о начале ее активной секреции.

Темп и сроки формирования как структуры пищеварительной системы, так и ее функций имеют видовые особенности. Так, у форели структура пищеварительного тракта формируется в онтогенезе раньше, чем у леща, а у последнего—раньше, чем у карпа. Соответственно этому и активность пищеварительных протеаз возрастает у форели на более ранних этапах, чем у карпа (Ка\лга1, 1кес!а, 1973а, 19736; Ильина, 1983).

Размеры кишечника подвержены колебанию в зависимости от условий питания, что отражает адаптацию пищеварительных органов к характеру питания (растительная, животная пища). Причем эти изменения происходят в сравнительно короткое время (Остроумова, 1983).

> Особенности пищевых потребностей личинок рыб определяются не только их потенцией к чрезвычайно высокой скорости роста, но и степенью развития пищеварительной функции в момент перехода к питанию (Остроумова, 1983).

Среди разводимых у нас видов рыб можно выделить несколько групп по этому признаку: I—лососевые, личинки которых переходят к питанию при хорошо дифференцированном желудке и кишечнике. К концу продолжительного периода смешанного питания происходит резкое нарастание кислых и щелочных протеаз (Рудинская, 1974; Ка\л/а1, 1кес!а, 1973а); Н-сиговые. Их личинки переходят к питанию задолго до образования желудка (Богданова, 1979; Ильина, 1982); III-карповые-безжелудочные рыбы, у которых период желточного и смешанного питания проходит в течение 2-5 дней (в зависимости от температуры воды). Питание начинается очень рано. Первая пища проходит по короткому пищеварительному тракту непереваренной. Протеолитическая активность

кишечника питающихся личинок, несмотря на их интенсивный рост, низкая (Каша1, 1кес!а, 1973Ь; Каюг, 1976).

У рыб данные о влиянии видовых особенностей питания на пищеварительные функции носят противоречивый характер. Так, у плотоядной форели возрастание протеолитической активности происходит более быстрыми, а амилолитической—более медленными темпами, чем у всеядного карпа, что может свидетельствовать о приспособленности ферментной системы