Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экотоксикологические аспекты биоаккумуляции кадмия

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Челомин, Виктор Павлович, Владивосток

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ТИХООКЕАНСКИЙ ОКЕАНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

, _ АЛ i

л степень Ди1\ 1'/

О'ШМит&Ш наук —;д: управления ВАК России

На правах рукописи

ЧЕЛОМИН ВИКТОР ПАВЛОВИЧ

ЭКОТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БИОАККУМУЛЯЦИИ

КАДМИЯ

(на примере морских двустворчатых моллюсков)

03.00.16. - Экология

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА

БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК

Владивосток 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Список сокращений 4

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. КАДМИЙ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ (литературный обзор)

1.1 Распространение кадмия в объектах окружающей среды 17

1.2 Поведение кадмия в морской среде 22

1.3 Концентрирование кадмия морскими организмами 27

1.4 Механизмы детоксикации кадмия водными организмами 37

1.5 Токсичность кадмия (общие вопросы) 59

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Общая характеристика объектов исследования 74

2.2. Условия проведения экспериментов 76

2.3. Основные биохимические и химико-аналитические методики

2.3.1. Определение белка 76

2.3.2. Разделение субклеточных фракций 77

2.3.3. Г ель-хроматография белков 78

2.3.4. Определение металлотионеинов (МТ) 79

2.3.5. Определение а-токоферола (а-ТФ) 79

2.3.6. Определение глутатиона (ГЭН) 79

2.3.7. Определение активности глутатион-зависимых ферментов 80

2.3.8. Определение продуктов перекисного окисления липидов 81

2.3.9. Индукция процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) 82

2.3.10. Определение липид-обменивающей активности 83

2.3.11. Экстракция и очистка липидов 84

2.3.12. Методы разделения липидов 84

2.3.13. Методы обнаружения и идентификации липидов 85

2.3.14. Количественные методы определения липидов 86

2.3.15. ГЖХ жирных кислот и альдегидов 88

2.3.16. Определение металлов 89

2.3.17. Радиоизотопные методики 90

2.3.18. ЭПР-спектрометрия 92 2.4. Статистические методы 93

ГЛАВА 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА АККУМУЛЯЦИИ КАДМИЯ

ОРГАНАМИ МОРСКИХ ДВУСТВОРЧАТЫХ МОЛЛЮСКОВ 94

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БИОХИМИЧЕСКИХ

СИСТЕМ МОЛЛЮСКОВ В УСЛОВИЯХ КАДМИЕВОЙ НАГРУЗКИ 112

4.1. Влияние кадмия на биосинтез белков 113

4.2. Влияние кадмия на общий метаболизм липидов 122

4.3. Влияние кадмия на липид-обменивающую активность 134

4.4. Влияние кадмия на микроэлементный состав органов молюсков 142

ГЛАВА 5. МЕМБРАНОТРОПНЫЕ ЭФФЕКТЫ КАДМИЯ 166 5.1. Влияние кадмия на физические параметры липидного матрикса

мембраны 167

5.2 Влияние металлов на процессы пероксидации липидов 178

5.3 Влияние кадмия на метаболизм и состав мембранных липидов 208

ГЛАВА 6. БИОХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДЕТОКСИКАЦИИ КАДМИЯ У МОЛЛЮСКОВ

6.1 Кадмий-связывающие белки двустворчатых моллюсков 234

6.2 Биохимическое значение глутатионовой системы в аккумуляции и детоксикации кадмия 263

ГЛАВА 7. ЭКОТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ АККУМУЛЯЦИИ КАДМИЯ

(ЗАКЛЮЧЕНИЕ) 285

ВЫВОДЫ 316

ЛИТЕРАТУРА 320

Список сокращений

ТМ - тяжелые металлы

МТ - металлотионеин

КБк - коэффициент биоконцентрирования

Ю5о и 1_С5о - средние летальные доза и концентрация

[С]ф - концентрация металла в среде (фоновые условия)

[С]вн- концентрация металла в организме

[С]л - летальная концентрация в организме

[Сс1]об и [Сс1]б - общая концентрация и биодоступных форм кадмия в среде [МТ]тах- максимальный уровень металлотионеинов

[Сс1]ггпп~ минимальная пороговая концентрация кадмия в организме, при которой

стимулируется синтез металлотионеинов ККд-пороговая концентрация металла в среде для его аккумуляции организмом БВПЖ и Ту2 - время полувыведения металла из организма ГЭН и ГБвГ - восстановленная и окисленная формы глутатиона ГР и ГП - глутатион-редуктаза, глутатион-пероксидаза ПОЛ - перекисное окисление липидов МДА и ДК - малоновый диальдегид и диеновые конъюгаты а-ТФ - альфа-токоферол СЖК - свободные жирные кислоты Ф-липиды - фосфолипиды Хол-н - холестерин ФХ - фосфатидилхолин ФЭ - фосфатидилэтаноламин ЦАЭФ - церемидаминоэтилфосфонат ФС - фосфатидилсерин ФИ - фосфатидилинозит ДФГ - кардиолипин

ВВЕДЕНИЕ

Стремительные темпы развития производства, все возрастающая химизация народного хозяйства неизбежно ведут к появлению во внешней среде больших количеств разнообразных химических соединений. В число этих соединений входят не только отходы и выбросы промышленных предприятий, порожденные несовершенством технологических операций, но и многочисленные химические вещества, специально созданные человеком: пищевые добавки, лекарства, косметические средства, продукты бытового пользования, сельскохозяйственные удобрения, пестициды, гербециды, промышленные яды и т. д. Многогранная и интенсивная деятельность человечества способствует появлению в биосфере громадных масс веществ, ранее находившихся в земных недрах, а также большого разнообразия индивидуальных химических соединений, выделенных из природных источников или созданных разумом человека.

Длительное время гигантская масса промышленных отходов бесконтрольно сбрасывалась в окружающую среду, сливаясь в водные системы или поступая в почву. Этому способствовали с одной стороны отсутствие совершенных безотходных технологий и с другой - заблуждение, согласно которому считалось, что природа может эффективно бороться с опасными отходами с помощью процессов самоочищения. Именно заблуждения ученых, абсолютизирующих устойчивость природной среды к действию химических веществ, способствовали еще большему непониманию опасности, которую представляют неутилизируемые промышленные отходы. К этому времени все очевидней становится возникший разрыв между высокой способностью современной цивилизации создавать новый химический потенциал планеты и ограниченными возможностями человека и биосферы в целом воспринять действие этого потенциала с достаточной эффективностью и без серьезных отрицательных последствий. Предупреждения отдельных ученых, даже с мировыми именами, не были услышаны. В.И. Вернадский был одним из первых ученых, обративших еще сто лет назад внимание на быстрый

рост масштабов антропогенной деятельности - техногенной и химической, которая уже тогда становилась сравнимой с действием самых мощных природных процессов. И только серия экологических катастроф, потрясших мировое сообщество и приведших к невосполнимой утрате ценнейших биологических ресурсов, а также к неисчислимым материальным расходам, коренным образом изменили научное и общественное мнение.

Как следствие этого были сформированы целые научные направления, объединяющие ученых различных специальностей, включая биологов, физиков, химиков и математиков. С начала 70-х годов стали регулярно проводиться научные конференции и симпозиумы по проблемам охраны окружающей среды. Появились десятки новых научных журналов, в которых публиковались статьи, посвященные практическим и теоретическим вопросам влияния загрязнения на окружающую среду, здоровье человека и животных. Резко стимулировались работы, направленные на разработку новых методических подходов и совершенствование критериев оценки качества окружающей среды. Разносторонние усилия ученых способствовали укреплению общественного мнения о необходимости развития экологического направления в науке и координации усилий по предотвращению дальнейшего загрязнения окружающей среды. Первые практические шаги в этом направлении были сделаны в конце 70-х годов, когда все промышленно развитые страны утвердили правила, регламентирующие использование, хранение и размещение химических отходов.

Между тем стало очевидным, что прогрессирующее антропогенное влияние в виде химического загрязнения прежде всего проявляется в функционировании гидросферы. Большая часть быстро увеличивающихся отходов, выбрасываемых в окружающую среду, со стоками, с атмосферными осадками и другими путями попадают в озера, реки, моря и океаны, воздействуя на их население и нарушая функционирование водных экосистем. Острота этой проблемы привела к тому, что в 1969 году Генеральная Ассамблея ООН, а затем Конференция ООН по окружающей среде в перечне первоочередных экологических проблем, затрагивающих интересы всего

человечества, особо выделили проблему загрязнения гидросферы, а 19801990 гг. официально были объявлены Международным десятилетием улучшения качества природных вод. Интенсивные отечественные и зарубежные исследования в этом направлении позволили полнее оценить происходящие изменения в гидросфере. Были опровергнуты суждения, что огромный объем Мирового океана (1379 х 106 км3) совместно с процессами естественного самоочищения приведут к уменьшению воздействия загрязняющих веществ на морские экосистемы в связи с разбавлением их морской водой. Оказалось, что, наряду с прибрежными акваториями особенно вблизи промышленных центров и стоков крупных рек, антропогенному прессу подвержены и открытые части Мирового океана. Ежегодно из атмосферы на поверхность Мирового океана выпадает 3 х 105 т нефтяных углеводородов, 2 х 105 - 2 х 106т свинца, 2-3 х 103т ртути, 5 х 102- 1.4 х 104 т кадмия, 2-3 х 103 т полихлорбифенилов, 1 х 103 - 3 х 104 т мышьяка. Распространению загрязняющих веществ на большие расстояния способствуют интенсивные течения и дальние атмосферные переносы. Даже в представителях морской фауны Арктики (от ракообразных до млекопитающих) обнаружены заметные количества антропогенных химических соединений (Muir et al., 1992).

Изменения химического состава водной среды прежде всего может повлечь за собой серьезные нарушения в жизнедеятельности гидробионтов разных систематических и экологических групп. Поэтому повышенное внимание к проблемам качества водной среды со стороны мирового сообщества резко стимулировали развитие водной токсикологии - комплексной гидробиологической и эколого-физиологической дисциплины, исследующей взаимодействие водных организмов с токсическими факторами среды и с их антропогенно нарушенными биотопами (Патин, Брагинский, 1989). По своему содержанию и по характеру применяемых методов водная токсикология -экспериментальная наука, изучающая не только реакции гидробионтов на токсические факторы различной природы (Строганов, 1972), но и также такие вопросы, которые иногда относят к биогеохимии загрязняющих веществ в гидросфере (Патин, 1979): источники поступления загрязняющих веществ, их

распределение, миграция и превращения, а также закономерности накопления токсикантов в водных экосистемах и ряд других процессов и явлений, без знания которых трудно судить о биологических последствиях загрязнения водной среды и разрабатывать основы его контроля, регламентации и предупреждения (Патин, Брагинский, 1989).

Водная токсикология возникла и развивается на стыке нескольких наук -токсикологии, гидробиологии, ихтиологии, биохимии гидробионтов и ряда других научных дисциплин. Такое сочетание позволило изучать взаимодействие ксенобиотиков с гидробионтами во всем многообразии и сложности на всех уровнях структурно-функциональной организации жизни от надорганизменного до субклеточного и молекулярного. В то же время, объективно являясь неотъемлемой частью классической токсикологии, водная (морская) токсикология приобрела ряд специфических черт, которые в наиболее полной форме суммированы в работе Д. Ниммо (1\Птто,1984) и приведены в таблице 1.

Благодаря усилиям многих исследовательских групп и ученых в этой области накоплен обширный материал о содержании, распределении и миграции в водной среде многих токсических веществ антропогенного происхождения. Выявлены основные закономерности накопления наиболее распространенных токсикантов в гидробионтах, что явилось основой установления нормативов допустимого содержания разнообразных веществ, в частности тяжелых металлов, в объектах промысла (Патин, Морозов, 1981). В последнее время существенно активизировались токсикологические исследования механизмов действия загрязняющих веществ на водные организмы. В этой области определился специфический спектр методических подходов, основанный на лабораторных экспериментах с рыбами, ракообразными, моллюсками и водорослями, с привлечением большого набора показателей токсического действия - биологических (выживаемость, плодовитость, темпы роста, интенсивность питания) и физиолого-биохимических. Сложились достаточно самостоятельные направления исследования отдельных классов токсикантов, в первую очередь нефти и

Таблица 1

Основные различия между классической токсикологией (млекопитающих) и

водной токсикологией.

Токсикология млекопитающих Водная токсикология

Основная цель: защитить человека Основная цель: защитить все разнообразие популяций и видов.

Эксперименты проводятся только на модельных животных, так как экспериментирование на людях не допустимо. Эксперименты могут проводиться непосредственно на организмах, вызвавших тот или иной интерес.

Основной объект исследования (человек) известен, поэтому степень экстраполяции определена. Невозможно установить степень тождественности между всеми тестируемыми видами, поэтому степень экстраполяции не известна.

Экспериментальные организмы теплокровные (относительно не зависящие от Т°С окружающей среды), поэтому токсичность с большой точностью может быть предсказана для человека. Экспериментальные организмы холоднокровные (зависящие от Т°С окружающей среды), живут в условиях постоянного колебания температуры, поэтому токсичность также может варьировать.

Поле для ошибок - значительно, тогда как цена ошибки - социально неприемлема. Цена ошибок меньшая, так как участие общества менее выражено.

Можно точно определить дозу и способ поглощения тестируемого химического вещества. Точно можно измерить только концентрацию химического вещества в воде и время пребывания в ней животного. «Поглощенную дозу» можно определить экспериментально с использованием коэффициентов биоконцентрирования и продуктов метаболизма.

Методы тестирования хорошо развиты, их применимость и ограничения в достаточной степени обоснованы. Методы тестирования токсичности относительно новые, границы их пригодности не известны.

нефтепродуктов, пестицидов, поверхностно-активных веществ, тяжелых металлов. По каждому из этих направлений накоплен богатый фактический материал.

Из этой многочисленной группы загрязняющих гидросферу химических веществ Агенство по охране окружающей среды выделило как приоритетные и наиболее опасные 129 химических соединений, из которых 114 - органические вещества, цианиды, асбест и 13 металлов. В общей проблеме загрязнения водной среды одно из ведущих мест принадлежит тяжелым металлам, которые по масштабам поступления в гидросферу уступают только нефтеуглеводородам. Однако в отличие от органических загрязнителей, подверженных в той или иной степени деструкции и биотрансформации, соединения металлов не способны к подобным превращениям, а лишь перераспределяются между отдельными компонентами водных экосистем: водой, взвесью, донными отложениями, биотой. В связи с этим их рассматривают как постоянно присутствующие в экосистеме. Соответственно, соединения металлов способны сохранять токсичность, практически, бесконечно, а возможность передачи и накопления в результате пищевых взаимоотношений увеличивает опасность их нахождения в водной среде. С экотоксикологической точки зрения ионы тяжелых металлов, активно участвуя в биологических и физико-химических процессах гидросферы, не изымаются из биологического круговорота, их токсичность не снижается, а, напротив, по мере возрастания концентрации увеличивается. Поэтому устойчивые тенденции к росту антропогенного воздействия на биосферу дают основания некоторым экотоксикологам утверждать, что дальнейшая эволюция всех биологических систем различного уровня организованности будет протекать в условиях неизбежного роста минеральных веществ в среде. Эти современные представления, по сути, являются естественным продолжением положения, сформулированного еще В.И. Вернадским. Добывая и перерабатывая в огромных количествах минералы, извлекая из них отдельные химические элементы, которые в природных условиях либо вообще не известны, либо встречаются крайне редко и в ничтожных количествах, человек создает для

себя «минералогическую среду», отличную от природной. По расчетам Гэвиса и Фергюсона (Gavis, Ferguson, 1971), в окружающую среду в течение нашего столетия за счет деятельности человека поступило металлов в 10 раз больше, чем в результате действия обычных природных процессов. Одним из таких химических элементов, который из-за хозяйственной деятельности человека повсеместно распространился в биосфере и стал полноправным компонентом этой рукотворной «минералогической среды», является представитель группы токсичных тяжелых металлов кадмий.

Кадмий относится к примесным элементам, имеющим очень низкие кларки и, соответственно, мало распростр�