Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменения поведенческих реакций белых крыс, индуцированные факторами техногенных загрязнений

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кокаева, Ирина Юрьевна, Владикавказ

6!'- 99-3/В

/ /

СЕВЕРО - ОСЕТИНСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им/КЛ. ХЕТАГУРОВА

Биологический факультет

КОКАЕВА Ирина Юрьевна

На правах рукописи

I

ИЗМЕНЕНИЯ ПОВЕДЕНЧЕСКИХ РЕАКЦИИ БЕЛЫХ КРЫС, ИНДУЦИРОВАННЫЕ ФАКТОРАМИ ТЕХНОГЕННЫХ

ЗАГРЯЗНЕНИЙ

03.00.13 - физиология человека и животных

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ профессор, академик МАЭН Марзоев Аркадий Иналович канд. биологических наук, доц. Кокаева Фатима Феликсовна

Владикавказ 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................................5

Глава 1. Обзор литературы................................................................... 9

1.1 .Экологическое качество среды и национальная

безопасность............................................................................................9

1.2. Растения и снежный покров как промежуточное депо техногенных загрязнителей.......................................................................18

1.3.Физиологические эффекты техногенных загрязнителей на

биологические объекты различного уровня организации......................23

1.3.1 .Применение экспериментальных моделей поведения при исследовании эффектов техногенных загрязнителей...............................23

1.3.2.Простейшие в исследовании эффектов ксенобиотиков..................29

1.3.3.Митохондрии как объект для исследования влияния техногенных загрязнителей на биологические мембраны......................31

1.4.0 возможных путях повышения резистентности организма к условиям техногенного загрязнения........................................................37

1.4.1 .Лекарственные растения и витамины..............................................37

1.4.2.Протекгорная роль некоторых микро и макроэлементов при действии техногенных загрязнителей......................................................42

1.4.3.Пищевые жиры и резистентность организма в условиях

неблагоприятной техногенной обстановки..............................................44

Глава 2. Материалы и методы исследования......................................48

2.1 .Постановка эксперимента....................................................................48

2.2.Мегоды исследования поведения животных......................................51

2.3.Биохимические методы исследования................................................55

2.4.Статистическая обработка результатов..............................................55

Глава 3. Результаты и их обсуждение...................................................56

г техногенных загрязнителей на поведение белых крыс.......56

ие ТЗ, депонированных в листьях липы на поведение

..................................................................................................56

ие ТЗ, депонированных в талой воде на поведение

.................................................................................................65

1 ТЗ на некоторые параметры мембран митохондрий

с................................................................................................71

ие ТЗ, аккумулированных в листьях липы.......................... 71

ие ТЗ талой воды на мембраны митохондрий.....................75

5 ТЗ талой воды на функциональное состояние

..................................................................................................79

пидного компонента пищи в проявлении воздействия х загрязнителей.......................................................................84

Заключение..............

Выводы.....................

Список литературы.

107

108

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

МДА - малоновый диальдегид

НЖК - насыщенные жирные кислоты

ННЖК - ненасыщенные жирные кислоты

ОС - окружающая среда

ПДК - предельно допустимые концентрации

ПОЛ - перекисное окисление липидов

ТЗ - техногенные загрязнители

УРАИ - условный рефлекс активного избегания

УРПИ - условный рефлекс пассивного избегания

ЦНС - центральная нервная система

ВВЕДЕНИЕ

Техногенные загрязнители различной природы, в том числе тяжелые металлы, представляют собой один из решающих факторов, ухудшения качества окружающей среды. По данным Государственного доклада [1997] общий объем промышленных отходов во Владикавказе составляет более 5,7 млн. тонн, зарегистрировано накопление свинца, ртути, кадмия, меди, цинка, фтора, диоксинов и т.д., обладающих очевидным повреждающим действием на нервную систему животных и человека. [Бинтам ,1993 ]

В ходе мониторинга окружающей среды, в последние годы исследователи все чаще выбирают такие методы анализа, которые позволяют получить информацию о комплексном (интегральном) воздействии загрязнителей на организм животных и растений. Такой подход обоснован тем, что в реальной ситуации не встречается изолированного воздействия на организм какого-либо фактора в "чистом" виде. В реальных условиях на организм действуют не отдельные соединения, а их комплексы. Поэтому без учета синергических или антагонистических эффектов, оценка их степени влияния на организм невозможна [ Ревель 1995, Тйбоп 1992, Марзоев 1993].

Анализ данных литературы позволяет сделать вывод, что на фоне весьма значительного информационного банка о биоэффектах отдельных антропогенных загрязнителей атмосферы химической природы недостаточно сведений о биологической значимости комплекса загрязнителей, реально существующих в окружающей среде, которые поступают в организм животных и человека через желудочно-кишечный тракт [Бинтам 1993, Адо,1991, Каба-та-Пендиас 1989, Марзоев,1984]. Еще меньше имеется конкретной информации о том, какие системы организма в отдельности подвержены влиянию техногенных загрязнителей, насколько быстро реализуется такое влияние и, наконец, каковы механизмы, опосредующие те или иные последствия комплексного воздействия на организм. Несомненно и то, что практически в лю-

бом случае, каждый регион имеет свой комплекс техногенных загрязнителей, обусловленный не только спецификой источников антропогенных загрязнений, но и многими сопутствующими обстоятельствами - географическими, сезонными климатическими, и многими другими факторами [Небел 1993].

Живые системы, независимо от уровня их организации, отвечают на действие повреждающего фактора достаточно универсальным набором реакций, к которым относятся реакции на уровне метаболизма, органелл, клеток и наконец целого организма и, в частности, его поведенческих реакций.

Изучение механизмов токсического действия техногенных загрязнителей на организм открывает пути к целенаправленному повышению его сопротивляемости. При выборе способов, увеличивающих резистентность организма следует предпочесть средства, имеющие натуральное происхождение.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было исследование поведения белых крыс под влиянием техногенных загрязнителей, аккумулированных в различных естественных объектах.

В соответствии с этим в работе решали следующие задачи:

1.Изучить влияние сформировавшегося комплекса техногенных загрязнителей, депонированных в естественных объектах (листьях липы и снежном покрове) на обучение и поведение белых крыс в различных экспериментальных моделях.

2. Исследовать влияние комплекса техногенных загрязнителей на состояние митохондрий печени крыс в опытах in vitro.

3.Исследовать влияние комплекса техногенных загрязнителей на подвижность инфузории спиростомы - Spirostoma ambiguum.

4.Изучить возможность использования различных пищевых добавок для коррекции нарушений поведения белых крыс, вызванных факторами техногенных загрязнителей.

Научная новизна работы, В работе впервые показано» что комплекс техногенных загрязнителей, аккумулированных в различных естественных объектах приводит к нарушению процессов обучения и памяти у белых крыс. Комплекс техногенных загрязнителей, аккумулированных в листья липы и снежном покрове оказывает повреждающее действие на митохондрии печени крыс, проявляющееся в активации перекисного окисления липидов и нарушении проницаемости мембран.

Впервые показано, что комплекс техногенных загрязнителей, аккумулированных в естественных природных объектах отрицательно влияет на подвижность и жизнеспособность инфузорий Эр^о&ота атЫддит.

Показана возможность применения использованных моделей для оценки степени загрязнения природных объектов в районах с большой техногенной нагрузкой.

Установлена возможность коррекции нарушений поведенческих реакций белых крыс, наблюдаемых при воздействии техногенных загрязнителей, комплексом компонентов растительного происхождения ( бальзам "Евразия") и природными минералами, повышающими неспецифическую резистентность организма

Теоретическая и практическая значимость работы.

В теоретическом плане работа расширяет представления о повреждающем действии аккумулированных в объектах окружающей среды техногенных загрязнителей.

Показана предпочтительность изучения поведенческих реакций животных для оценки нарушений в функциональных системах мозга под влиянием техногенных загрязнителей. Комплекс поведенческих реакций может быть использован в качестве суммарного показателя изменений в нервной системе животных, индуцированных загрязнением окружающей среды. Использованные методы исследования поведения животных могут быть применены для оценки как острых воздействий, так и для мониторинга состояния.

Практическое значение проведенных исследований заключается в выявлении позитивного эффекта использования некоторых компонентов растительного и минерального сырья для уменьшения тяжести негативного воздействия исследованных техногенных загрязнителей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1.Техногенные загрязнения, содержащие тяжелые металлы, аккумулированные в листьях липы и снежном покрове вблизи промышленных зон, вызывают увеличение тревожности и возбудимости у белых крыс, ухудшение скорости выработки условного рефлекса, что наиболее очевидно проявляется в модели активного избегания, ухудшения скорости и эффективности усвоения информации.

2.Эффекгы техногенных загрязнителей реализуются на уровне изменения основных свойств мембран и отдельных клеток, включая проницаемость мембран , механизмы свободнорадикальных процессов в биомембранах и двигательную активность одноклеточных.

3.Препараты натуральных источников сырья растительного и минерального происхождения могут быть использованы для коррекции нарушений, индуцированных факторами техногенных загрязнителей.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО СРЕДЫ И НАЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

На рубеже нового тысячелетия в результате интенсификации промышленного производства в развитых странах продолжает ухудшаться экологическое качество атмосферы, воды и почвы, в результате чего живые организмы все более активно подвергаются воздействию химических загрязнителей. Как отмечает АВ.Яблоков, в биосфере России в настоящее время обнаруживаются около 2000 вредных химических веществ [Яблоков, 1997]. Российские экологи отмечают, что около 40 млн. жителей страны проживает в районах, где уровень концентрации вредных примесей в разовых или суточных пробах воздуха регулярно в 10 раз и более превышает их предельно допустимые концентрации. В результате этого 40-45% территории России относится к экологически неблагополучным территориям, на которых все более распространяются болезни, имеющие "экологическую" природу [Экхольм,1980, Яб-локов, 1996; Агаджанян, 1982,1998]. Следовательно, химическое загрязнение среды представляет реальную угрозу национальной безопасности России.

Состояние атмосферного воздуха в Республике Северная Осетия-Алания, отличаясь рядом специфических факторов, в целом отражает общую картину экологического состояния промышленных городов России. Из данных Государственного отчета Министерства охраны окружающей среды следует, что общий объем промышленных и твердых бытовых отходов, накопленных в г.Владикавказе, составляет более 5,7 млн.тонн. происходит накопление таких опасных загрязнителей, как свинец, ртуть, кадмий, медь, цинк, фтор, диоксины, , оксиды азота, диоксид серы, оксид углерода и т.д. [Гос. отчет,Владикавказ. 1997].

Неблагоприятное воздействие на окружающую среду города оказывают выбросы 230 промышленных, 75 автотранспортных и 93 сельскохозяйственных предприятий» расположенных на 220 км2. Такой плотности промышленных предприятий нет ни в одном городе России. Основным "поставщиком" техногенных загрязнителей (ТЗ) являются предприятия цветной металлургии ("Электроцинк", "Победит", Кристалл"), машиностроительные и металлообрабатывающие заводы ("Бином", "Гран", "Топаз", "Магнит", "ОЗАТЭ" и др.), а также многочисленный автомобильный транспорт. Поскольку со всех сторон город окружен горами, загрязнители не рассеиваются, а накапливаются, что приводит к повышению дозы вредных веществ, превышающих установленные нормы.

Ухудшение экологического состояния атмосферы ведет к тому, что увеличивается количество ТЗ, поступающих с питьевой водой и продуктами питания [Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989, Небел,1993]. Поступление загрязнителей через растения, используемые в пищевом рационе человека объясняется не только активным применением пестицидов в сельском хозяйстве, но и способностью почвы аккумулировать различные виды загрязнений, в то время как процесс очищения ее происходит очень медленно [Данилов-Данильян, 1995].

Ухудшающееся состояние окружающей среды - воды, почвы и как следствие ухудшение экологической чистоты продуктов питания привели к катастрофическому снижению уровня здоровья человека, среднеожидаемой продолжительности жизни, что в основном обусловлено ростом смертности от отравлений, болезней системы кровообращения, злокачественных новообразований, болезней органов дыхания и пищеварения. [Авцын,1972, Эк-хольм,1980]. По данным Всемирной организации здравоохранения, в среднем на 25-30% здоровье людей зависит от состояния окружающей среды.

1.1.1. Действие техногенных загрязнений на организм человека и

животных

Природное и антропогенное загрязнение способно оказывать мутагенное, канцерогенное, токсичное и аллергическое действие. По степени воздействия на здоровье различают обратимое и необратимое влияние негативных факторов. Токсичные вещества, влияя на нервную, иммунную, сердечнососудистую, кровеносную системы и на органы дыхания провоцируют развитие тяжелых хронических заболеваний, зависящих от природы повреждающего фактора. При относительно высоких концентрациях их действие может оказаться необратимым. По данным отечественных исследователей показатели младенческой смертности, смертности от злокачественных опухолей и врожденной патологии являются индикатором социально-экологического неблагополучия [Ревич,1991; Брин,1998]. Ряд химических веществ особенно отчетливо влияют на нервную систему. В литературе имеются данные, что от 3 до 28% всех химических веществ присутствующих в окружающей среде обладают нейротоксической активностью [ТЙ80пД992]. Среди них фосфорорга-нические и медьсодержащие пестициды, серосодержащие карбамиды, окислители, свинец, кадмий, никель, молибден, ртуть, цинк, хром [Кротов, 1991; Ноздрачев и др.,1991; Эйхлер, 1993; Рогзо1г, ВеНш, 1979].

Наиболее незащищенным к действию ТЗ оказывается детский организм. Анализ исследований, проводимых среди групп детей и подростков, проживающих в разных по степени экологической нагрузки районах, показал прямую зависимость между индексом загрязнения атмосферы (ИЗА) и медико-демографическими показателями [Брин, 1998]. Одним из этих показателей может быть работоспособность. Исследования, проводимые среди групп первоклассников (6-7 лет) и первокурсников (16-17 лет) показали зависимость умственной и физической работоспособности учащихся от степени техногенной нагрузки атмосферы [Кокаева, Марзоев,1995,1998].

В основе воздействия токсических химических соединений на организм человека и животных лежат перестройки, вызванные этими соединениями на молекулярном, субклеточном и тканевом уровнях. Ксенобиотики вызывают ингибирование ферментных систем; влияя на структуру белков мембран, рецепторов, вызывают активацию перекисного окисления липидов, что в свою очередь нарушает функциональную целостность мембран - все это приводит к нарушению функций органов и тканей, а в конечном итоге организма в целом.

К наиболее опасным токсичным веществам относятся ртуть, свинец и кадмий, менее токсичными, но активно внедряющимися в обмен веществ в организме являются цинк, никель и медь, токсичны в больших концентрациях и ионы железа, активирующие процессы перекисного окисления в биомембранах [Покровский,1979].

Ртуть встречается в окружающей среде в соединениях с различной степенью окисления, которые могут реагировать между собой. Наибольшую опасность представляют органические, прежде всего алкильные соединения ртути. Самым емким аккумулятором ртути в природе является поверхностный слой снега, в который она попадает в результате техногенной деятельности человека Ионы ртути легко связываются в прочные коплексы с различными органическими соединениями, находящимися в талой и дождевой воде [Во\¥епД979]

Хозяйственная деятельность человека привела к миграции свинца в системе вода - почва - атмосфера - организм человека. В живые организмы соединения свинца поступают как через дыха�