Особенности состояния пищеварительной системы осетровых рыб в период нерестовой миграции в р. Волга

Шипулин, Сергей Викторович

Автореферат диссертации по теме "Особенности состояния пищеварительной системы осетровых рыб в период нерестовой миграции в р. Волга"

На правах рукописи

ШИПУЛИН Сергей Викторович

ОСОБЕННОСТИ СОСТОЯНИЯ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОСЕТРОВЫХ РЫБ В ПЕРИОД НЕРЕСТОВОЙ МИГРАЦИИ

В Р. ВОЛГА

03.00.10 - Ихтиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Астрахань 2006

Работа выполнена на кафедре гидробиологии и общей экологии Астраханского государственного технического университета

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор

сельскохозяйственных наук, профессор Зайцев Вячеслав Федорович Научный консультант: доктор биологических наук Ходоревская

Раиса Павловна

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ, доктор

биологических наук, профессор Воробьев В. И. доктор биологических наук, профессор Распопов В.М.

Ведущая организация: Дагестанский государственный университет

Защита состоится « 24 » _октября_ 2006 года в часов на заседании диссертационного совета К.307.001.01 при Астраханском государственном техническом университете по адресу: 414025, Астрахань, Татищева, 16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного технического университета по адресу: 4М025, Астрахань, Татищева, 16,

Автореферат разослан « 24 » сентября_ 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат биологических наук

2

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время остро стоит вопрос сохранения запасов осетровых в естественных водоемах с помощью применения ряда мер как по охране запасов, так и доведения воспроизводства их до необходимого уровня. С середины 50-х годов неотъемлемой частью мер по сохранению запасов осетровых стало воспроизводство молоди на осетровых рыбоводных заводах как компенсация естественного нереста, в связи со строительством ряда волжских гидроэлектростанций (Ходоревская, 2001, Распопов, 2002). Не менее острым является вопрос создания такого товарного осетроводства, при котором взрослые осетровые рыбы, полученные в товарном цикле, служили бы производителями, не уступающими по рыбоводным качествам рыбам, выросшим в естественных водоемах (Иванов, 2002, Васильева, 2003).

В этих условиях значимую роль приобретают морфо-функциональные исследования осетровых рыб, в том числе их пищеварительной системы. Пищеварительная система является ведущей системой обеспечивающей обмен веществ, формирующей тело рыбы, особенности компонентного состава, (Кузьмина, 2000, Зайцев и др., 2001, НеваленныЙ, 2002, Абдурахманов и др., 2004). Одновременно пищеварительная система весьма лабильна и чутко реагирует даже на незначительные изменения факторов окружающей среды, отражает физиологические особенности организмов. Изменения условий роста рыбы, рационов её кормления, применение методик, ускоряющих достижение половой зрелости рыбой, оказывают значительное влияние на состоянии пищеварительной системы организма (Строганов, 1968). Выполнявшиеся ранее исследования затрагивают, прежде всего, проблемы формирования и функционирования пищеварительной системы у молоди осетровых (Гершанович и др., 1987), хотя не менее важным представляется изучение пищеварения и пищеварительной системы у взрослых осетровых рыб. Таким образом, в современных условиях актуальны исследование особенностей состояния пищеварительной системы осетровых в. период нерестовой миграции.

í *

Цель н задачи работы. Целью исследования являлось изучение

морфофизиологического состояния пищеварительной системы осетровых рыб во время совершения ими нерестовой миграции в р. Волгу в .связи с изменением содержания в тканях и органах рыб минеральных веществ.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи;

1. Исследовать уровень содержания микроэлементов в органах осетровых рыб (русского осетра Acipenser gueldenstaedti, севрюги A. stellatus, стерляди A. ruthenus, белуги Huso huso) — в печени, пилорической железе, кишечнике, а также жабрах, почках, селезенке, мышцах и гонадах;

2. Методами кластерного анализа выявить сходство и различия между отдельными видами осетровых по уровню содержания микроэлементов в органах;

3. Изучить особенности процессов мембранного пищеварения у осетровых в период нерестовой миграции;

4. Проанализировать связь между физиологическим состоянием особи и особенностями структуры и функций пищеварительных органов;

5. Установить связь между величиной концентрации микроэлементов в органах пищеварительной системы осетровых и их морфометрическими характеристиками;

6. Выявить отклонения в функциях пищеварительной системы в связи с изменением содержания минеральных веществ в органах и тканях осетровых;

7. Оценить влияние отклонений концентраций микроэлементов от средних значений на ферментативную активности энзимных комплексов, ассоциированных в гликокаликсе эпителия желудочно-кишечного тракта.

Научная новизна исследования. Впервые проведено комплексное исследование состояния пищеварительной системы половозрелых осетровых, включающее в себя накопление различных микроэлементов в стенках желудочно-кишечного тракта и других органов, прослежены связанные с этим

изменения морфологии и функции пищеварительной системы. Впервые использован кластерный анализ для изучения уровня содержания микроэлементов в органах осетровых, в том числе пищеварительной системе. Впервые представлены сведения о количественных характеристиках содержания микроэлементов в ряде органов. Исследованы патологические изменения в них в связи с повышенным содержанием микроэлементов. Изучены функциональные особенности пищеварительной системы осетровых на примере изучения активности пищеварительных ферментов. Полученные результаты значительно дополняют и расширяют представления о морфо-функщюнальном состоянии пищеварительной системы разных возрастных групп осетровых.

Практическая значимость работы - состоит в том, что показана адаптивная пластичность пищеварительной системы каспийских осетровых. На основе результатов исследования предложена возможность прогнозирования содержания некоторых микроэлементов в исследованных органах осетровых рыб. Материалы диссертационной работы включены в лекционные курсы по водной токсикологии, гистологии, энзимологии в Астраханском государственном техническом университете.

Апробация работы« Основные положения диссертационной работы доложены на межвузовской научной конференции молодых ученых и студентов "Белки-маркеры патологических состояний крови" в 1999 г., Астрахань, 4-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», 1999 г., Санкт-Петербург, International conference AQUA, 2000 г., Италия, международной конференции «Биологические ресурсы окраинных и внутренних морей России и их рациональное использование», 2000, 4th International Sturgeon Symposium, 2001 г., США, международной конференции «Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов», 2004 г., Петрозаводск, а также на конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ в 1998-2006 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ.

Структура я объем диссертации. Диссертация изложена на 158 страницах, включает 22 таблицы, 26 рисунков. Состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов. Список литературы включает 526 наименований, в том числе 122 на иностранных языках.

Материалы и методы исследований

Работа выполнена в 1998-2005 гг. в полевых и лабораторных условиях. Объектом исследования являлись половозрелые особи проходных осетровых (русского осетра Acipenser gueldenstaedti Brandt, 1833 — 114 экз., севрюги A. stellatus Pallas, 1771 - 168 экз., белуги Huso huso (Umœw,I758)

- 50 экз., жилой и полупроходной форм стерляди A. ruthenus JJma&G, 1758

- 20 экз.), пойманные в период нерестовой миграции на рыбопромысловых участках в дельте реки Волги.

Для анализа проб на содержание микроэлементов, гистологического анализа, изучения активности пищеварительных ферментов у пойманных особей осетровых были отобраны пробы из органов - жабр, печени, селезенки, мышц, почек, желудка, пилорической железы, кишечника.

Ихтиологические методики. Собранный материал подвергался полному биологическому анализу (Правдин, 1966). Определялись абсолютная и промысловая длина, масса тела рыбы, пол, стадия зрелости гонад, масса гонад, плодовитость, возраст определяли по первому лучу грудного плавника (Чугунова, 1952) (табл. 1).

Методы определения „содержания микроэлементов. Определение содержания микроэлементов проводилось атом но-адсорбцио иным способом (Брицке, 1982, Прайс, 1976) на спектрофотометре «Hitachi» AAS 180-50. После сжигания органического материала пробы азотной кислотой определялось содержание в ней кобальта (Со), никеля (Ni), железа (Fe), меди (Си), цинка (Zn), свинца (РЬ), марганца (Мп), кадмия (Cd) в сравнении с концентрацией эталонного стандартного раствора металла. Было обработано 6200 проб.

Таблица 1 — Морфометрическая характеристика материала

Пол Длина, см Масса тела, кг Масса гонад, кг Возраст, лет Кфультона Кзрелости

Абсолютная Промысловая

Севрюга. A. stellatus

Самки 136±4,2" 125±3,7 11,3*1 2*0,2 14,7*0,9 0,56 ±0,03 0,161*0,014

84-176" 78-159 3,1-19 0,2-4,5 8-22 0,36-0,85 0-0,26

Самцы 126,7*1,5 111,2*1,1 7*0,3 0,45±0,04 11*0,3 0,51 ±0,02 0,059*0,004

102-172 91-130 2,9-12,7 0,1-0,9 7-16 0,23-0,91 0,014-0.148

Осетр, A. giwldenstaedtí

Самки 155,4±3 136,3±2,7 24,е±1,5 3.6*0.3 15,9*0,9 0,94*0,03 0,145*0.01

123-191 106-173 11-45,9 0,45-10.2 8-23 0,54-1.38 0-0,256

Самцы 126,4±1,3 109,9*1,1 10,8*0,4 0,53*0,4 12,5*0.7 0,8*0,02 0,048*0,003

102-143 90-125 5,9-17,7 0,15-1,3 7-21 0,58-1,09 0-0,107

Стерлядь. A. ruthenus

Самки 67,9*3,1 61,5±3,1 1±0,1 - - 0,46*0,06 0,042*0,018

60-83 53-76 0,7-1,5 _ _ 0,29-0,81 0-0,167

Самцы 66,7 ±2,8 60,3±2,9 1*0,1 - - 0,47*0,06 0,028±0,004

60-75 53-66 0,7-1.2 - - 0,2-0,7 0,018-0,04

Белуга, Н. huso

Самки 239,9*12,6 211,7 ±11.7 98,9*15,6 14*2,5 20.7±1,7 0,92*0,04 0,105±0,016

144-339 126-307 14,4-252 0,1-31 12-34 0,69-1,33 0-0,194

Самцы 207,4±5,2 183,8*4,9 52,4±3,9 2,3*0,2 16.9*0.8 0,82*0,02 0,041*0.003

160-261 133-232 26-105 0,7-4,6 10-24 0,62-1,19 0.018-0.066

Примечание: * - среднее и стандартная ошибка среднего значения, ** - минимальное и максимальное значение показателя.

Методы определения ферментативной активности. В работе определялась нейтрально-протеолитическая активность, активность альфа-амилазы и общая амилолитическая активность в препаратах слизистой желудочно-кишечного тракта осетровых и гомогенатах пищеварительных желез.

Общую амилолитическую активность определяли методом Нельсона в модификации A. M Уголева и H. Н. Иезуитовой (1969) (1250 анализов). Активность а-амилазы определяли методом Smith Roc в модификации A.M. Уголева ( 1969) (1150 анализов). Активность нейтральной протеазы определяли модифицированным методом Лоури (Алейникова, Рубцова, 1988) (1450 анализов).

Гистологические методики. Использованы общепринятые методики (Волкова, Елецкая» 1982) (всего 375 препаратов). Препараты изучались в

видимом спектре на световом микроскопе «Биолам» при увеличениях в 90,600,900 раз. Фотографирование проводилось с помощью «Olympus U-STV ВХ 40» при увеличении в 40,100,400 раз.

Статистические методы, исследования. Полученные данные были статистически обработаны (Лакин, 1976, 1990; Плохинский, 1970; Урбах, 1976, Гланц, 1999). Применение методов кластерного анализа (Тгуоп, 1939), и визуализация данных (Боровиков, 2004) осуществлялось в пакетах Statistica и MathCad.

Результаты исследования и их обсуждение

Особенности минерального состава органов и тканей осетровых.

Являясь одним из последних звеньев в цепях питания, осетровые становятся чувствительным элементом» остро реагирующим на избыток или недостаток микроэлементов в окружающей среде. Содержание отдельных микроэлементов в пищеварительных органах различных осетровых рыб старших возрастных групп изучено слабо.

В печени максимальные уровни содержания Fe, Mn, Со, Ni, Pb отмечены у белуги, несколько более низкие концентрации этих элементов отмечены в печени русского осетра, наименьшие концентрации перечисленных микроэлементов отмечались в печени севрюги и стерляди (Табл. 2).

Уровень концентрации кадмия и меди в печени русского осетра незначительно превосходил содержания Си и Cd в печени белуги. Содержание Fe, Си, Zn, Mn, Со, Cd в пилорической железе у белуги превосходили уровни содержания этих микроэлементов в том же органе русского осетра, севрюги и стерляди. Содержание Ni и РЬ в пилорической железе у русского осетра несколько превышало концентрацию этих элементов у белуги. В кишечнике белуги содержание Си, Со, Cd выше содержания этих элементов в кишечнике как русского осетра, так и стерляди, хотя концентрации Fe, Zn, Mn, Pb имели максимальное выражение у русского осетра. Необходимо заметить, что уровень содержания микроэлементов у белуги в органах пищеварительной системы почти во всех случаях

превосходит аналогичный уровень у русского осетра, севрюги и стерляди. У всех изученных видов осетровых печень является «накопителем» микроэлементов. Отметим, что присутствие С<3 и РЬ в значительных количествах в пищеварительных органах каспийских осетровых дает основание говорить о возможном неблагоприятном воздействии этих токсических микроэлементов на морфологию и функции органов желудочно-кишечного тракта.

Для удобства изучения степени сходства и различия уровней содержания микроэлементов в органах осетровых были использованы трехмерные графики и карты линий уровней, поскольку использовавшиеся ранее плоские гистограммы (Воробьев, Зайцев, 1974) не позволяли представить картину микроэлементного состава органов осетровых в целостности. Для осуществления поиска различий выполнены трехмерные графики (рис. 1) и карты линий уровня (рис. 2 и 3), где на последних заметно, как картина распределения микроэлементов по органам стерляди существенно отличается от таковой прочих изученных видов рыб. Подобные отображения позволяют выявлять определенным образом выраженную степень сходства по распределению микроэлементов, например между самцами и самками осетра.

Выявлено, что между содержанием микроэлементов в некоторых органах и тканях и морфометрическими характеристиками наблюдается значимая корреляция. В ряде работ (Горден и др., 2000), связь между указанными характеристиками аппроксимируется сложными экспоненциальными или полиноминальными различных степеней зависимостями, однако по нашему мнению для представления зависимостей по подобным данным считаем лучше использовать линейную регрессию.

Для севрюги и осетра по содержанию микроэлементов во всех органах, в том числе пищеварительной системы, показано, что уровень содержания таких микроэлементов, как свинец, ртуть, кадмий имеет значимую связь с линейными размерами, содержание микроэлементов железа и цинка коррелирует также с массой тела.

Таблица 2 - Среднее содержание микроэлементов в органах и тканях осетровых, мкг/кг

Fe Си Zn Мп СО Ni РЬ Cd

A. stellatus, самки

ПЕЧЕНЬ 53032 ± 2,81 2321 ± 063 137,69 ± 217 240 ± 033 213 t 080 354 ± 034 Z8 ± 036 092 ± Q16

ГМПСЖШЕСКАЯ ЖЕЛЕЗА 19647 ± 129 7,49 t 0» 1233 ± 1,35 ОМ ± 068 1,08 ± 017 455 ± 036 2SS ± 051 063 ± 011

КИШЕЧНИК 1 286 Й71 ± 0£1 158,72 ± 1.52 092 1 023 072 ± 010 188 ± 023 337 ± 039 072 ± 014

A. stetiatus, самцы

ПЕЧЕНЬ 01238 ± 1JB1 3248 ± Q44 150,93 ± U96 202 1 020 132 ± 0® 303 ± 013 1JS0 ± 031 066 ± 016

ÍWIOFVWCKftfl ЖЕЛЕМ 227J0CT ± 1,40 860 t 035 14014 1 Ц58 268 t Q65 129 ± О"» 53 ± 036 260 ± 040 072 ± Q07

КИШЕЧНИК 33230 ± 1,46 10j69 t 053 135» t 1.17 047 ± 017 06* ± оов 1JE3 ± 021 245 ± 050 062 ± 011

A. gueldenstaedti, самки

ПЕЧЕНЬ 72528 ± 322 2SI51 1 063 173i49 ± 229 7ÍJ6 ± 033 1,74 ± 086 <74 ± 028 1j82 ± 038 223 ± 037

гмпопгескАЯ ЖЕЛЕЗА 23Э,0б ± *19 6,40 ± 0.40 21019 ± 274 421 ± 095 106 ± 022 9,09 ± Q3S 474 ± 0® 1J06 ± 012

КИШЕЧНИК 33CW8 * 228 074 * Q60 22666 ± 220 8,45 ± 039 134 ± 017 259 ± 045 052 ± 071 1,75 ± Q25

A. gueldenstaedti, самцы

ПЕЧЕНЬ 811,12 * 349 3302 ± Q71 Щ66 ± 202 027 ± 044 1.47 1 083 <19 ± озо 108 ± 043 157 ± 034

ЖЕЛЕЗА 257,86 ± 226 7,30 t Q47 24080 ± 031 42Í ± о,ае 1,78 ± 022 013 ± 037 <56 ± Q64 1,16 ± 013

КИШЕЧНИК 23429 ± 237 1062 ± Q59 2Э424 ± 178 7,46 ± 036 130 * 016 219 ± 033 293 1 077 15В ± 023

A. ruthenus, самки

ПЕЧЕНЬ 43В74 ± 3,61 10» ± 062 10301 ± 222 368 ± 048 1£6 ± 097 230 ± 024 1.15 ± 040 1,31 ± 032

шпотссмй ЖЕЛЕЗА ..... 16145 ± гш 4,3В ± ог 13006 ± <84 2Р> ± 1JM 080 ± 045 010 ± 073 214 ± ОТО 065 4 008

КИШЕЧНИК 13557 4 1,34 7,33 ± 067 10053 t 1.48 397 ± Q35 063 ± 011 150 ± 038 088 ± Q96 0S3 t 025

A. ruthenus, самцы

ПЕЧЕНЬ 47255 ± 296 1057 ± 055 11153 ± 1J0S 345 1 045 125 ± 159 226 ± 022 105 ± 042 13 ± 015

ГМП0П*£СК*Я ЖЕЛЕЗА 163® ± 212 421 ± Q51 117J90 ± 458 гее ± еда 091 ± Q42 <75 ± 074 212 ±078 065 ± 008

КИШЕЧНИК 136,31 ± 1X11 626 ± 065 106,13 ± 1дг 399 ± Q24 062 ± 012 133 ± 039 1,09 ± Q91 089 ± 025

Н. huso, самки

ПЕЧЕНЬ 772С7 ± 6,85 166,72 ± 4,91 786 ± 098 258 ± 1,40 5,34 ± 054 220 ± 071 175 ± 042

ivrcmEawt ЖЕЛЕЗА , 379,95 ± 4,79 11Д) ± 132 25072 ± 901 6® ± 121 157 ± 041 090 ± 1JM 3,18 ±078 1,10 ± ОЭО

КИШЕЧНИК 26289 i <12 1373 ± 375 Щ06 ± 4,43 72t ± Q79 1,46 ± 039 297 ± 061 319 ± 127 225 ± 039

Н. huso, самцы

ПЕЧЕНЬ 87396 * 3® 3209 ± О/В 181 j89 ± 3« 026 ± 037 242 t 101 <63 ± оэо 159 ± 052 109 ± 0«

тпстЕсжАЯ ЖЕЛЕЗА , 300(13 ± 35В 1222 ± 0® 19061 ± 756 309 ± 1,19 204 ± 025 074 ± 090 354 ± 095 1Д1 ± 018

КИШЕЧНИК 246ДО 1 203 1Q33 t 226 16363 ± 1,75 052 ± 035 133 * 015 301 ± Q46 288 ± 084 157 ± Q32

Рис 1. Содержание микроэлементов в органах, самки белуги. Ось X: 0 - Ре, 1-Си,2-2п,3-Мп,4-Со,5-^6-РЬ,7-С(1;Ось У:0-жабры, 1 - почки, 2 - печень, 3 - пилорическая железа, 4 — кишечник, 5 - селезенка, 6— мышцы, 7—гонады; Ось Ъ\ логарифм концентрации

»11)114

А

Рис 2. Содержание микроэлементов в органах и тканях. Самки белуги. Карта линий уровня. Ось X: 0 - Ре, 1 - Си, 2 - гп, 3 - Мп, 4 - Со, 5 - б - РЬ, 7 -С<1; Ось У: 0 - жабры, 1 - почки, 2 - печень, 3 - пилорическая железа, 4 -кишечник, 5 — селезенка, 6 - мышцы, 7 — гонады

Рис 3. Содержание микроэлементов в органах и тканях. Самцы стерляди.

Карта линий уровня. Ось X: 0 - Ре, 1 - Си, 2 - 3 - Мп, 4 - Со, 5 - N1, 6 -РЬ, 7 - Сё; Ось У: 0 - жабры, 1 - почки, 2 - печень, 3 - пилорическая железа, 4 - кишечник, 5 - селезенка, 6 — мышцы, 7 — гонады

У всех изученных видов отмечено снижение в мышцах концентрации железа и цинка, и напротив, увеличение концентрации в гонадах с ростом стадии зрелости гонад (СЗГ)- Органы пищеварения на фоне мышц и гонад сохраняют стабильные концентрации микроэлементов. Необходимо отметить снижение концентрация железа в печени у белуги с возрастом, что может быть связано с возрастными изменениями ферментативных систем.

Кластерному анализу были подвергнуты данные по содержанию микроэлементов во всех изученных органах осетровых. Установлено, что отдельными кластерами представлены самцы осетра и белуги (рис. 4), и самки белуги и осетра, т.е. группирование объектов здесь происходит не по признаку вида, а по признаку пола. Стерлядь выделяется по изучаемым признакам в обособленную группу, включающих самцов и самок.

Наибольшее сродство между данными по микроэлементному составу органов отмечено для белуги и севрюги. Расстояние связи между отдельными объектами внутри ветвей здесь значительно меньше, чем в прочих случаях.

При рассмотрении содержания микроэлементов в органах пищеварения, обращает на себя внимание значительное сходство иерархического древа с таковым для всех органов рыб (рис. 4, 5).

1600

Неезеешеиное попарное среднее Эвклидово расстояние

Рис 4. Органы пищеварения. Иерархическое дерево

Не»зр«шенное попарное среднее Эвклидово расстояние

Рис 5. Все исследованные органы и ткани. Иерархическое дерево.

Сходство отмечено как в характере ветвления иерархического дерева, так и расстоянием связи между классифицируемыми объектами, возможно потому, что органы пищеварения являются структурой, включающей в себя мышечные, нервные, соединительные, эпителиальные ткани, кровь и лимфу, в совокупности формирующие ту же картину распределения микроэлементного состава, что и организм в целом.

Также отметим, что в отличие от мышц, теряющих запасы питательных веществ в период миграции как на движение, так и происходящий в то же самое время процесс перераспределения питательных веществ в пользу органов размножения, органы пищеварения, могут являться более консервативной структурой по микроэлементному составу, в сравнении с другими органами.

Морфофункциональные изменения в пищеварительной системе

осетровых

Адаптационные изменения кишечных ворсинок четырех видов осетровых многообразны и проявляются, прежде всего, в виде пролиферации клеточных элементов однослойного каемчатого эпителия. Следует отметить, что пролиферация как призматического эпителия кишечных ворсинок, так и клеток подстилающей его соединительной ткани, обнаружена у большинства исследуемых рыб в большей или меньшей степени. В некоторых случаях пролиферация однослойного кубического эпителия кишечных желез, в сочетании с гипертрофией слизистых клеток, превращала подслизистую основу в мелкосетчатое образование, выделяющее слизь.

Пролиферация эпителия ворсинок кишечника возникала по всей высоте, особенно интенсивно в нижних их участках. Чаще всего на верхушках сросшихся кишечных ворсинок проявлялись разрастания в виде гребешков или щеток, глубоко вдававшихся в полость кишки. Иногда соседние кишечные ворсинки срастались в средних боковых отделах, деформируясь и образуя сложные «архитектурные» образования.

К патологическим процессам, происходящим в тканях кишечника, можно отнести дискомпенсацию клеток эпителия при нарушении контакта между эпителиоцитами. Это явление обычно наблюдалось на верхушках кишечных ворсинок, также отмечено слущивание каемчатого эпителия, изменение размеров и формы этих клеток.

Следует отметить, что собственная пластинка слизистой оболочки кишечника была инфильтрована лимфоцитами. Подобная инфильтрация может быть расценена как защитно-приспособительная реакция организма рыб от проникновения токсикантов через кишечник.

При исследовании печени осетровых в ряде случаев выявлены её морфо-функциональные нарушения, что выражалось в накоплении жира в гепатоцитах. Это подтверждается случаями токсической жировой дистрофии печени. Патологические изменения в печени осетровых представлены также участками инфильтрации стенок внутрипеченочных сосудов и желчных протоков, очагами некроза печеночной паренхимы, различной величины и топографии. Все эти явления сопровождались сосудистыми расстройствами: неравномерным расширением внутрипеченочных капилляров, стазом в них, мелкими кровоизлияниями вокруг стенок сосудов разной величины и формы. Кроме того, обнаружены нарушения в виде амилоидоза стенок кровеносных сосудов печени.

Наиболее значительные нарушения в печени были отмечены у особей старших возрастных групп русского осетра и белуги, имевших в тканях пищеварительных органов высокие уровни свинца и кадмия.

Особенности активности пищеварительных ферментов у половозрелых

осетровых

Общая амилолитическая активность наиболее велика у стерляди, достигая величины 250 мкМоль*(г*мин)"' в отделах кишечника как у самцов, так и у самок. Несколько ниже (на 20-25 процентов) эта активность у белуги, затем в порядке убывания активности следуют русский осетр и севрюга. Бели рассматривать данные, сгруппированные по половому признаку, то становится заметна следующая особенность: у самок и самцов русского осетра различия по

уровню общей амилолигической активности приблизительно в 10 раз выше, чем у самок. У севрюги различия по уровню активности самцов и самок носит менее выраженный характер. В отношении распределения общей амилолитической активности по различным участкам кишечника и различным пищеварительным железам следует сказать, что, в целом, характер такого распределения чрезвычайно разнообразен, отмечается рост активности от кардинального желудка к среднему кишечнику и пилорической железе, затем следует спад к ректальному отделу. Уровень активности в гомогенатах печени и поджелудочной железе выше, чем в органах пищеварительной трубки.

Альфа-амилолитическая активность, для всех групп рыб находится на почти одинаковом уровне, постепенно возрастая от кардинального отдела желудка к его пилорической части, затем к средней части кишечника, плавно снижаясь к его спиральному клапану. Наиболее велика, в сравнении с другими частями ЖКТ, альфа-амилолитическая активность в гомогенатах печени и пилорической железы у всех изученных видов рыб. У белуги и русского осетра более низкий уровень активности в исследуемых органах отмечается у самок, тогда как у севрюги и стерляди наблюдается обратная картина (Рис 6).

Общая протеолитическая активность достигает максимальных величин у стерляди, (15-20 мкМоль*(г*мин)"'). На втором месте располагается белуга, с уровнем активности на 20-50 % меньшим, и еще ниже уровень активности у осетра и севрюги.

Для всех исследованных рыб, за исключением осетра, средний уровень общей протеашггической активности выше у самцов, чем у самок. Величина различий между особями разного пола по данному признаку колеблется от процентов и десятков процентов для севрюги и осетра, до двух раз для белуги (Рис 7).

В анализируемом материале представлены рыбы, находившиеся на разных стадиях зрелости гонад. Показано, что особи севрюги и осетра, находившиеся на 4-5 СЗГ, и 5 СЗГ (последнее у самок наблюдалось осле гипофизарной инъекции) имели: 1) значительно сниженный уровень ферментативной активности, иногда до нулевых значений, в сравнении с рыбами более ранних стадий зрелости гонад,

2) колебания значений ферментативной активности в зависимости от участка пищеварительного тракта у каждой особи существенно снижался и общая картина проксимодистального градиента приобретала спокойный, ровный характер.

1

А, диЫвепиавсМ, самки

10 г

о

^стн лцидоарнгтвльной онотвмы

19 10 5 О

А счаци

Гк

ЧВОТМ ОИ611МЫ

I"

I ™

К Ьдео. о«ннсц

=1111!

Ч»ст м птцмаритвльной сиспмы

К Ъиао, оамцы

1*ст*пиидоаркт«гчы*ой ОЙОТ «МЫ

о Кардинальный же/уд о* о Средняя кишка □ Поджелудочная железа

□ Пипоричвский жа/удок В Спирвг»ный клапан

□ Печень

а Пилоричвекая железа а Ректальный отдел

Рис 6. Уровень альфа-амилолитической активности. Распределение по участкам пищеварительной системы.

Таким образом, созревание рыбы вызывало существенное снижение

ферментативной активности, что, вероятно, связано с нерестовыми

адаптивными перестройками организма рыб. Одновременно следует отметить то обстоятельство, что высокие величины ферментативной активности на ранних СЗГ практически всегда были сопряжены со значительными колебаниями уровня активности от участка к участку кишечника и, в целом, создавали значительную вариабельность данный.

в Кардинальный желудок а Пилорический желудок в Пилорическая железа

В Средняя кишка В Спиральный клапан а Ректагъный отдел

а Печень

Рис 7. Уровень общей протеолитической активности. Распределение по участкам пищеварительной системы. Высокое содержание в стенках ЖКТ свинца и кадмия у некоторых особей белуги и осетра старших возрастных групп заметно снижает

ферментативную активность общей протеазы и альфа-амилазы, а высокий уровень цинка у некоторых севрюг приводит к увеличению уровня общей амилолитической активности в кишечнике.

Выводы

1. Установлено, что минимальное содержание всех изученных микроэлементов (железа, марганца, никеля, меди, цинка, кобальта, свинца и кадмия) в органах пищеварения наблюдается у стерляди, составляя в печени 469,74 мкг/кг и 472,56 мкг/кг, 3,68 мкг/кг и 3,45 мкг/кг, 2,30 мкг/кг и 2,26 мкг/кг, 19,24 мкг/кг и 19,57 мкг/кг, 103,81 мкг/кг и 111,53 мкг/кг, 1,06 мкг/кг и 1,26 мкг/кг, 1,15 мкг/кг и 1,05 мкг/кг, 1,31 мкг/кг и 1,35 мкг/кг у самок и самцов соответственно. Максимальное содержание железа, марганца, никеля отмечено в печени у белуги (772,07 мкг/кг и 878,96 мкг/кг, 7,86 мкг/кг и 6,28 мкг/кг, 5,34 мкг/кг и 4,63 мкг/кг у самок и самцов соответственно), железа и марганца в пилорической железе белуги (379,95 мкг/кг и 398,13 мкг/кг, 6,26 мкг/кг и 3,09 мкг/кг мкг/кг), никеля в пилорической железе осетра (9,09 мкг/кг и 8,13 мкг/кг у самок и самцов соответственно). Максимальное содержание меди и цинка (33,02 мкг/кг и 288,66 мкг/кг) наблюдается в печени самцов русского осетра. Особенности микроэлементного состава органов стерляди, в сравнении с другими проходными осетровыми, связаны с её экологическим положением среди изученных видов осетровых.

2. Классификация данных по микроэлементному составу органов осетровых возможна с использованием кластерного анализа, при этом микроэлементный состав органов пищеварения формирует распределение, сходное с таковым для всего анализируемого набора органов.

3. Наиболее высокие уровни общей протеолитической активности в желудочно-кишечном тракте отмечены у стерляди и белуги, несколько ниже у русского осетра и севрюги, уровень общей амилолитической активности наивысший у стерляди, по уровню альфаамилолитической активности все исследуемые виды близки между собой. Отмечено снижение вариабельности

уровня ферментативной активности ферментов в ряду белуга, русский осетр, стерлядь, севрюга.

4. Наличие пищи в желудочно-кишечном тракте у отдельных особей белуги и стерляди, находившихся на ранних стадиях зрелости гонад (2, 2-3 СЗГ), сопряжено с повышенной на всех участках желудочно-кишечного тракта на 25-30 % альфаамилолитической, обшей протеолитической и обшей амилолитической активностью в сравнении с ферментативной активностью в пищеварительном тракте у основной массы рыб, находящейся на более поздних стадиях зрелости.

5. Отмечена значимая корреляция (а<0,05) между морфометрическими характеристиками изученных осетровых и содержанием микроэлементов в органах пищеварения. Так, у самок белуги величина коэффициента корреляции г между содержанием железа в кишечнике и абсолютной длиной достигает 0,972 (г(20)о5=О,444), у самцов осетра величина коэффициента корреляции г между содержанием меди в печени и абсолютной длиной достигает 0,673 (т(50\5=0,2Т7).

6. Высокое содержание свинца и кадмия в печени у старших групп осетра и белуги сопровождается выраженной токсической жировой дистрофией печени. Повышенная концентрация этих элементов, а также меди, в стенках кишечника на 40-50 % в сравнении со средним, влечет за собой десквамацию и дискомплексацию каемчатого эпителия на верхушках кишечных ворсинок и нарушение архитектоники кишечных ворсинок.

7. Установлено, что у особей русского осетра и севрюги, имеющих высокое содержание кадмия в органах желудочно-кишечного тракта в сравнении с особями, имеющими более низкое его содержание, наблюдается сниженная общая протеолитическая и общая амилолитическая активность в исследованных отделах кишечника. У самцов русского осетра в группе со средним содержанием кадмия в кишечнике 2,50 мкг/кг уровень амилолитической активности снижен на 15 % в сравнении с особями, имеющей среднее содержание кадмия 1,20 мкг/кг.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шипулин С, В., Зайцев В. Ф., Федорова H. Н., Романов А. А. Адаптационная изменчивость эпителия жабр и кишечника осетровых в современных экологических условиях// Астраханский край; история и современность. Тезисы докладов Всероссийской научной конференции, Астрахань, 1997. с. 296.

2. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф., Горден С. В. Некоторые особенности пищеварения и содержания микроэлементов в тканях и органах половозрелых осетровых в речной период жизни// Экологические проблемы бассейнов крупных рек-2: тезисы докладов международной конференции, Россия, Тольятти, 14-18 сентября, 1998, с. 197-199.

3. Шипулин С. В., Романов А. А., Ложниченко О. В. Клетки крови стерляди как показатель состояния рыбы// Проблемы развития рыбного хозяйства на внутренних водоемах в условиях перехода к рыночным отношениям. Материалы международной научно-практической конференции. Минск, 1998, с. 311-313.

4. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф., Горден С. В. Содержание тяжелых металлов в органах и тканях севрюги в речной период жизни// Доклады 4-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности»/Под ред . М. Иванова, Балт. гос. тех. ун-т, СПб, Т.2,1999, с. 329-332.

5. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф., Федорова H. Н., Романов А. А., Алтуфьева Н. С,,, Горден Ю. В. Адаптационные морфофункциональные особенности пищеварительного тракта осетровых в современных экологических условиях// "Экосистемы Прикаспия-XXI веку". Материалы международной конференции, Элиста-Астрахань, 4.11999. с. 54-57.

6. Шипулин С. В., Горден Ю. В. Содержание тяжёлых металлов в органах и тканях белуги в речной период жизни// «Молодежь-XXI веку». Тезисы молодежной научной конференции, Астрахань, 1999, с. 37-38.

7. Шипулин С. В., Егоров С. Н. Изменение активности ферментов желудочно-кишечного тракта осетровых при патологии// Материалы межвузовской научной конференции молодых ученых и студентов "Белки-маркеры патологических состояний крови" Астрахань-Москва, 1999, с. 36-37.

8. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф,, Крючков В. Н., Ложниченко О. В., Абдуллаев М. Ш., Куренкова М. А., Состояние селезенки осетровых рыб на фоне

накопления тяжелых металлов// Сборник трудов международного экологического конгресса в Балт. гос. тех. ун-те, СПб, 2000, с. 294.

9. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф., Федорова H. Н., Ложниченко О. В., Алтуфьева Н. С. Особенности морфологии кишечника в современных экологических условиях// Российские морфологические ведомости, № 3-4,2000, с. 53-61.

10. S. V. Shipuïin, Zaitsev V. F., Volkova I. V., Egorova V. Г., Egorov S. N., Resnyansky V. V. Research of proximate and distal gradient of neutral protease activity of sturgeon producers// Responsible aquaculture in the new millennium. Abstracts of contributions presented at the International conference AQUA 2000, Nice, France, Special publication № 28: Oostende, Belgium, 2000, c. 361.

11. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф., Горден Ю.В. Содержание некоторых химических элементов в органах и тканях осетровых в речной период жизни// Тезисы докладов IX Всероссийской научной конференции «Биохимия рыб», Ярославль, 2000, с. 45-47.

12. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф., Федорова H. Н., Романов А. А., Крючков Н. Н., Ложниченко О.В. Количественное содержание микроэлементов в тканях и органах стерляди// Сборник материалов всероссийской научно-практической конференции «Здоровье-XXI веку», Тула, 2000, с. 106-107.

13. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф., Крючков В. Н., Ложниченко О. В., Макарова Е. А. Особенности накопления тяжелых металлов в тканях селезенки осетровых// Материалы международной конференции «Биологические ресурсы окраинных и внутренних морей России и их рациональное использование» Вопросы рыболовства, № 2-3, ЧП,Москва, 2000, с. 152-155.

14. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф.. Федорова H. Н., Ложниченко О. В., Алтуфьева Н. С. Степень патологических повреждений клеток печени и поджелудочной железы осетровых в современных экологических условиях// Москва, Морфологический журнал, № 1,2001, с. 145-152.

15. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф., Федорова H. Н., Ложниченко О. В., Алтуфьева Н. С. Морфофункциональные особенности желудка и пилорической железы осетровых// Сборник трудов международного экологического конгресса в Балт. гос. тех. ун-те, СПб, 2001, с. 198-207.

16. S. V. Shipuïin, Zaitsev V. F, Volkova I, V. Proximal and distal gradient of some intestine hydrolases of sturgeon fishes// Abstracts of contributions presented at the 4* International Sturgeon Symposium, Oshkosh, USA.

17. S. V. Shipuïin, Zaitsev V. F, Gorden J. V. Contents of some microelements in the organs and tissue of stellate sturgeon (Acipenser stellatus Pallas) in the Volga Delta//

Abstracts of contributions presented at the 4Л International Sturgeon Symposium, Oshkosh, USA.

18. S. V. Shipulin, Zaitsev V. F, Asian Parviz Hasan. Improvement of sturgeon fry rearing at the Mardzani fish factory (Iran)// Abstracts of contributions presented at the 4th International Sturgeon Symposium, Oshkosh, USA.

19. V. V. Andreev, S. V. Shipulin, V. F. Zaitsev, N. N. Fedorova. Ecological and Toxicological Conditions in Delta Volga River// Caspian Journal of Environment and Sustainable Development. -Guilan, Guilan University, 2002, V.l, №1. p, 78-82.

20. S. V. Shipulin, V. F. Zaitsev, I. V. Volkova. Activity of Some Hydrolases in Gastro-Intestinal Tract of Adult Sturgeon Fishes// Science and Technology. -Makhachkala, DSU, 2002, p. 154-157.

21. S. V. Shipulin, V.F. Zaitsev, }У. Volkova, T.S. Ershova. Peculiarities of enzymes activity in the alimentary canal of salmon and sturgeon fishes Seafarming today and tomorrow. //Abstract and extended communications of contributions presented at the International conference. Trieste, Italy, October 16-19, 2002. Special publication no 32. European aquaculture society, august 2002.

22. Шипулин С. В., Волкова И. В., Зайцев В. Ф., Ершова, Т. С, Особенности ферментативной активности желудочно-кишечного тракта лососевых и осетровых рыб. //Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов. Материалы Международной конференции. Петрозаводск, 2004. с .25-26.

23. Шипулин С. В., Горден Ю, В., Зайцев В. Ф. Кластерный анализ микроэлементного состава органов и тканей осетровых видов рыб. Экологические и социально-экономические аспекты , и устойчивого развития региона Нижней Волги. Сборник трудов. М.: Современные тетради, 2005.

24. Шипулин С. В. О смене целей в ведении осетрового хозяйства // Вестник АГТУ, Научный журнал, № 3(26) 2005, с. 36-43.

25. Шипулин С. В. Применение кластерного анализа, для выявления межвидового и внутривидового сходства осетровых рыб по данным о микроэлементном составе органов и тканей //Вестник АГТУ, Научный журнал, № 5 (28) (Приложение) 2005., с. 40-45.

26. Шипулин С. В., Зайцев В. Ф. Сохранение осетровых в бассейне Каспийского моря //Проблемы сохранения и рационального использования биоразнообразия Прикаспия и сопредельных регионов: Материалы 4 международной заочной конференции. - Элиста: Изд-во КалмГУ, 2006, с.71-72.

Типография Астраханского государственного технического университета 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16 Заказ № 701. Тираж 100 экз. Подписана в печать 18.09.06 г.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Шипулин, Сергей Викторович

Введение.

Глава 1. Осетровые рыбы Каспийского моря.

1.1. Биология и экология осетровых.

1.2. Состояние запасов и промысел осетровых.

1.3. Пищеварительная система осетровых рыб.

Глава 2. Материал и методы исследований.

2.1. Сбор материала и его ихтиологическая обработка.

2.2. Математическая обработка результатов исследований.

2.3. Методики сбора материала и проведения микроэлементного анализа.

2.4. Методики сбора материала и гистологической обработки.

2.5. Методики сбора материала и анализа ферментативной активности.

2.6. Ихтиологическая характеристика материала.

2.6.1. Русский осетр.

2.6.2. Севрюга.

2.6.3. Белуга.

2.6.4. Стерлядь.

2.6.5. Персидский осетр и шип.

Глава 3. Содержание микроэлементов в органах и тканях осетровых.

3.1. Вариации микроэлементного состава в органах и тканях осетровых рыб в зависимости от вида, пола и стадии зрелости гонад.

3.1.1. Содержание микроэлементов в органах и тканях различных видов осетровых рыб.

3.1.2. Различия в содержании микроэлементов в органах и тканях у самцов и самок.

3.2. Анализ совокупных данных по содержанию микроэлементов в органах осетровых.

3.2.1. Предпосылки.

3.2.2. Анализ визуализированных данных.

3.2.3. Кластерный анализ.

3.2.4. Другие перспективные направления обработки данных.

3.3. Прогноз накопления тяжелых металлов в органах пищеварительной системы осетровых.

3.3.1. Зависимости между морфометрической характеристикой и содержанием микроэлементов в органах осетровых.

3.3.2. Корреляции между длиной или массой тела и концентрацией микроэлемента.

3.3.3. Форма зависимости между длиной или массой тела и концентрацией микроэлемента.

Глава 4. Морфологические изменения в пищеварительной системе осетровых.

4.1. Современные адаптивные изменения различных органов осетровых рыб.

4.2. Особенности строения желудка осетровых рыб.

4.3. Особенности морфологии пилорической железы осетровых рыб.

4.4. Особенности структуры пищеварительных желез осетровых рыб.

4.4.1. Изменения клеток печени осетровых.

4.4.2. Морфология поджелудочной железы осетровых.

4.5. Морфология средней кишки осетровых рыб.

4.6. Особенности строения спирального клапана осетровых рыб.

Глава 5. Мембранное пищеварение у осетровых рыб.

5.1. Современные представления о процесах пищеварения.

5.2. Пищеварение у рыб.

5.3. Пищеварение у осетровых рыб.

5.4. Различия активности пищеварительных ферментов осетровых рыб

5.4.1. Различия в ферментативной активности в зависимости от вида рыбы

5.4.2. Различия в ферментативной активности в зависимости от стадии зрелости гонад.

5.4.3. Различия в ферментативной активности в зависимости от травм и наличия паразитов в кишечнике.

5.4.4. Различия в ферментативной активности в зависимости от содержания микроэлементов в пищеварительных органах.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Особенности состояния пищеварительной системы осетровых рыб в период нерестовой миграции в р. Волга"

Актуальность проблемы. В настоящее время остро стоит вопрос сохранения запасов осетровых в естественных водоемах с помощью применения ряда мер как по охране запасов, так и доведения их воспроизводства до необходимого уровня. С середины 50-х годов неотъемлемой частью мер по сохранению запасов осетровых стало воспроизводство молоди на осетровых рыбоводных заводах как компенсация ущерба естественному нересту, в связи со строительством ряда волжских гидроэлектростанций (Ходоревская, 2001; Распопов и др., 2002). Не менее острым является вопрос создания такого товарного осетроводства, при котором взрослые осетровые рыбы, полученные в товарном цикле, служили бы производителями, не уступающими по рыбоводным качествам рыбам, выросшим в естественных водоемах (Иванов, 2002; Васильева, 2003).

В этих условиях значимую роль приобретают морфофункциональные исследования осетровых рыб, в том числе их пищеварительной системы. Пищеварительная система является ведущей системой, обеспечивающей обмен веществ, формирующей тело рыбы, особенности компонентного Р состава (Кузьмина, 2000; Абдурахманов и др. 2003; Неваленный, 2002). Одновременно пищеварительная система весьма лабильна и чутко реагирует даже на незначительные изменения факторов окружающей среды, отражает физиологические особенности организмов. Изменения условий роста рыбы, рационов её кормления, применение методик, ускоряющих достижение половой зрелости рыбой, оказывают значительное влияние на состоянии пищеварительной системы организма (Строганов, 1968). Выполнявшиеся ранее исследования затрагивают, прежде всего, проблемы формирования и функционирования пищеварительной системы у молоди осетровых (Гершанович и др., 1987), хотя не менее важным представляется изучение пищеварения и пищеварительной системы у взрослых осетровых рыб. Таким образом, в современных условиях актуальны исследования особенностей состояния пищеварительной системы осетровых в период нерестовой миграции.

Цель и задачи работы. Целью исследования являлось изучение морфофизиологического состояния пищеварительной системы осетровых рыб во время совершения ими нерестовой миграции в р. Волгу в связи с изменением содержания в тканях и органах рыб минеральных веществ.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать уровень содержания микроэлементов в органах осетровых рыб (русского осетра Acipenser gueldenstaedtii, севрюги A. stellatus, стерляди A. ruthenus, белуги Huso huso) - в печени, пилорической железе, кишечнике, а также жабрах, почках, селезенке, мышцах и гонадах;

2. Методами кластерного анализа выявить сходство и различия между отдельными видами осетровых по уровню содержания микроэлементов в органах;

3. Изучить особенности процессов мембранного пищеварения у осетровых в период нерестовой миграции;

4. Проанализировать связь между физиологическим состоянием особи и особенностями структуры и функций пищеварительных органов;

5. Установить связь между величиной концентрации микроэлементов в органах пищеварительной системы осетровых и их морфометрическими характеристиками;

6. Выявить отклонения в функциях пищеварительной системы в связи с изменением содержания минеральных веществ в органах и тканях осетровых;

7. Оценить влияние отклонений концентраций микроэлементов от средних значений на ферментативную активности энзимных комплексов, ассоциированных в гликокаликсе эпителия желудочно-кишечного тракта.

Научная новизна исследования. Впервые проведено комплексное исследование состояния пищеварительной системы половозрелых осетровых, включающее в себя накопление различных микроэлементов в стенках желудочно-кишечного тракта и других органов, прослежены связанные с этим изменения морфологии и функции пищеварительной системы. Впервые использован кластерный анализ для изучения уровня содержания микроэлементов в органах осетровых, в том числе пищеварительной системе. Впервые представлены сведения о количественных характеристиках содержания микроэлементов в ряде органов. Исследованы патологические изменения в них в связи с повышенным содержанием микроэлементов. Изучены функциональные особенности пищеварительной системы осетровых на примере исследования активности пищеварительных ферментов. Полученные результаты значительно дополняют и расширяют представления о морфо-функциональном состоянии пищеварительной системы разных возрастных групп осетровых.

Практическая значимость работы - состоит в том, что показана адаптивная пластичность пищеварительной системы каспийских осетровых. На основе результатов исследования предложена возможность прогнозирования содержания некоторых микроэлементов в исследованных органах осетровых рыб. Материалы диссертационной работы включены в лекционные курсы по водной токсикологии, гистологии, энзимологии в Астраханском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на межвузовской научной конференции молодых ученых и студентов "Белки-маркеры патологических состояний крови" в 1999 г., Астрахань, 4-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», 1999 г., Санкт-Петербург, International conference AQUA, 2000 г., Италия, международной конференции «Биологические ресурсы окраинных и внутренних морей России и их рациональное использование», 2000, 4th International Sturgeon Symposium, 2001 г., США, международной конференции «Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов», 2004 г., Петрозаводск, а также на конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ в 1998-2006 гг.

Заключение Диссертация по теме "Ихтиология", Шипулин, Сергей Викторович

Выводы

1. Установлено, что минимальное содержание всех изученных микроэлементов (железа, марганца, никеля, меди, цинка, кобальта, свинца и кадмия) в органах пищеварения наблюдается у стерляди, составляя в печени 469,74 мкг/кг и 472,56 мкг/кг, 3,68 мкг/кг и 3,45 мкг/кг, 2,30 мкг/кг и 2,26 мкг/кг, 19,24 мкг/кг и 19,57 мкг/кг, 103,81 мкг/кг и 111,53 мкг/кг, 1,06 мкг/кг и 1,26 мкг/кг, 1,15 мкг/кг и 1,05 мкг/кг, 1,31 мкг/кг и 1,35 мкг/кг у самок и самцов соответственно. Максимальное содержание железа, марганца, никеля отмечено в печени у белуги (772,07 мкг/кг и 878,96 мкг/кг, 7,86 мкг/кг и 6,28 мкг/кг, 5,34 мкг/кг и 4,63 мкг/кг у самок и самцов соответственно), железа и марганца в пилорической железе белуги (379,95 мкг/кг и 398,13 мкг/кг, 6,26 мкг/кг и 3,09 мкг/кг мкг/кг), никеля в пилорической железе осетра (9,09 мкг/кг и 8,13 мкг/кг у самок и самцов соответственно). Максимальное содержание меди и цинка (33,02 мкг/кг и 288,66 мкг/кг) наблюдается в печени самцов русского осетра. Особенности микроэлементного состава органов стерляди, в сравнении с другими проходными осетровыми, связаны с её экологическим положением среди изученных видов осетровых.

2. Классификация данных по микроэлементному составу органов осетровых возможна с использованием кластерного анализа, при этом микроэлементный состав органов пищеварения формирует распределение, сходное с таковым для всего анализируемого набора органов.

3. Наиболее высокие уровни общей протеолитической активности в желудочно-кишечном тракте отмечены у стерляди и белуги, несколько ниже у русского осетра и севрюги, уровень общей амилолитической активности наивысший у стерляди, по уровню альфаамилолитической активности все исследуемые виды близки между собой. Отмечено снижение вариабельности уровня ферментативной активности ферментов в ряду белуга, русский осетр, стерлядь, севрюга.

4. Наличие пищи в желудочно-кишечном тракте у отдельных особей белуги и стерляди, находившихся на ранних стадиях зрелости гонад (II, II-III СЗГ), сопряжено с повышенной на всех участках желудочно-кишечного тракта на 25-30 % альфаамилолитической, общей протеолитической и общей амилолитической активностью в сравнении с ферментативной активностью в пищеварительном тракте у основной массы рыб, находящейся на более поздних стадиях зрелости.

5. Отмечена значимая корреляция (а<0,05) между морфометрическими характеристиками изученных осетровых и содержанием микроэлементов в органах пищеварения. Так, у самок белуги величина коэффициента корреляции г между содержанием железа в кишечнике и абсолютной длиной достигает 0,972 (г(2О)05=О,444), у самцов осетра величина коэффициента корреляции г между содержанием меди в печени и абсолютной длиной достигает 0,673 (г(5О)05=О,277).

6. Высокое содержание свинца и кадмия в печени у старших групп осетра и белуги сопровождается выраженной токсической жировой дистрофией печени. Повышенная концентрация этих элементов, а также меди, в стенках кишечника на 40-50 % в сравнении со средним, влечет за собой десквамацию и дискомплексацию каемчатого эпителия на верхушках кишечных ворсинок и нарушение архитектоники кишечных ворсинок.

7. Установлено, что у особей русского осетра и севрюги, имеющих высокое содержание кадмия в органах желудочно-кишечного тракта в сравнении с особями, имеющими более низкое его содержание, наблюдается сниженная общая протеолитическая и общая амилолитическая активность в исследованных отделах кишечника. У самцов русского осетра в группе со средним содержанием кадмия в кишечнике 2,50 мкг/кг, уровень амилолитической активности снижен на 15 % в сравнении с особями, имеющей среднее содержание кадмия 1,20 мкг/кг.

Заключение

Являясь одним из последних звеньев в цепях питания, осетровые становятся чувствительным элементом, остро реагирующим на избыток или недостаток микроэлементов в окружающей среде. Содержание отдельных микроэлементов в пищеварительных органах различных осетровых рыб старших возрастных групп изучено слабо.

В печени максимальные уровни содержания Fe, Mn, Со, Ni, Pb отмечены у белуги, несколько более низкие концентрации этих элементов отмечены в печени русского осетра, наименьшие концентрации перечисленных микроэлементов отмечались в печени севрюги и стерляди.

Уровень концентрации Cd и Си в печени русского осетра незначительно превосходил содержания Си и Cd в печени белуги. Содержание Fe, Си, Zn, Mn, Со, Cd в пилорической железе у белуги превосходили уровни содержания этих микроэлементов в том же органе русского осетра, севрюги и стерляди. Содержание Ni и Pb в пилорической железе у русского осетра несколько превышало концентрацию этих элементов у белуги. В кишечнике белуги содержание Си, Со, Cd выше содержания этих элементов в кишечнике как русского осетра, так и стерляди, хотя концентрации Fe, Zn, Mn, Pb имели максимальное выражение у русского осетра. Необходимо заметить, что уровень содержания микроэлементов у белуги в органах пищеварительной системы почти во всех случаях превосходит аналогичный уровень у русского осетра, севрюги и стерляди. У всех изученных видов осетровых печень является «накопителем» микроэлементов. Отметим, что присутствие Cd и Pb в значительных количествах в пищеварительных органах каспийских осетровых дает основание говорить о возможном неблагоприятном воздействии этих токсических микроэлементов на морфологию и функции органов желудочно-кишечного тракта.

Для удобства изучения степени сходства и различия уровней содержания микроэлементов в органах осетровых были использованы трехмерные графики и карты линий уровней, поскольку использовавшиеся ранее способы отображения данных не позволяли представить картину микроэлементного состава органов осетровых в целостности. Для осуществления поиска различий выполнены трехмерные графики и карты линий уровня, где на последних заметно, как картина распределения микроэлементов по органам стерляди существенно отличается от таковой прочих изученных видов рыб. Подобные отображения позволяют выявлять определенным образом выраженную степень сходства по распределению микроэлементов, например между самцами и самками осетра.

Выявлено, что между содержанием микроэлементов в некоторых органах и тканях и морфометрическими характеристиками наблюдается значимая корреляция. В ряде работ (Горден и др., 2000), связь между указанными характеристиками аппроксимируется сложными экспоненциальными или полиноминальными различных степеней зависимостями, однако по нашему мнению для представления зависимостей по подобным данным считаем лучше использовать линейную регрессию.

Для севрюги и осетра по содержанию микроэлементов во всех органах, в том числе пищеварительной системы, показано, что уровень содержания таких микроэлементов, как свинец, ртуть, кадмий имеет значимую связь с линейными размерами, содержание микроэлементов железа и цинка коррелирует также с массой тела.

У всех изученных видов отмечено снижение в мышцах концентрации железа и цинка, и напротив, увеличение концентрации в гонадах с ростом стадии зрелости гонад. Органы пищеварения на фоне мышц и гонад сохраняют стабильные концентрации микроэлементов. Необходимо отметить снижение концентрация железа в печени у белуги с возрастом, что может быть связано с возрастными изменениями ферментативных систем.

Кластерному анализу были подвергнуты данные по содержанию микроэлементов во всех изученных органах осетровых. Установлено, что отдельными кластерами представлены самцы осетра и белуги, и самки белуги и осетра, т.е. группирование объектов здесь происходит не по признаку вида, а по признаку пола. Стерлядь выделяется по изучаемым признакам в обособленную группу, включающих самцов и самок.

Наибольшее сродство между данными по микроэлементному составу органов отмечено для белуги и севрюги. Расстояние связи между отдельными объектами внутри ветвей здесь значительно меньше, чем в прочих случаях.

При рассмотрении содержания микроэлементов в органах пищеварения, обращает на себя внимание значительное сходство иерархического древа с таковым для всех органов рыб.

Сходство отмечено как в характере ветвления иерархического дерева, так и расстоянием связи между классифицируемыми объектами, возможно потому, что органы пищеварения являются структурой, включающей в себя мышечные, нервные, соединительные, эпителиальные ткани, кровь и лимфу, в совокупности формирующие ту же картину распределения микроэлементного состава, что и организм в целом.

Также отметим, что в отличие от мышц, теряющих запасы питательных веществ в период миграции как на движение, так и происходящий в то же самое время процесс перераспределения питательных веществ в пользу органов размножения, органы пищеварения, могут являться более консервативной структурой по микроэлементному составу, в сравнении с другими органами.

Адаптационные изменения кишечных ворсинок четырех видов осетровых многообразны и проявляются, прежде всего, в виде пролиферации клеточных элементов однослойного каемчатого эпителия. Следует отметить, что пролиферация как призматического эпителия кишечных ворсинок, так и клеток подстилающей его соединительной ткани, обнаружена у большинства исследуемых рыб в большей или меньшей степени. В некоторых случаях пролиферация однослойного кубического эпителия кишечных желез, в сочетании с гипертрофией слизистых клеток, превращала подслизистую основу в мелкосетчатое образование, выделяющее слизь.

Пролиферация эпителия ворсинок кишечника возникала по всей высоте, особенно интенсивно в нижних их участках. Чаще всего на верхушках сросшихся кишечных ворсинок проявлялись разрастания в виде гребешков или щеток, глубоко вдававшихся в полость кишки. Иногда соседние кишечные ворсинки срастались в средних боковых отделах, деформируясь и образуя сложные «архитектурные» образования.

К патологическим процессам, происходящим в тканях кишечника, можно отнести дискомплексацию клеток эпителия при нарушении контакта между эпителиоцитами. Это явление обычно наблюдалось на верхушках кишечных ворсинок, также отмечено слущивание каемчатого эпителия, изменение размеров и формы этих клеток.

Следует отметить, что собственная пластинка слизистой оболочки кишечника была инфильтрована лимфоцитами. Подобная инфильтрация может быть расценена как защитно-приспособительная реакция организма рыб от проникновения токсикантов через кишечник.

При исследовании печени осетровых в ряде случаев выявлены её морфо-функциональные нарушения, что выражалось в накоплении жира в гепатоцитах. Это подтверждается случаями токсической жировой дистрофии печени. Патологические изменения в печени осетровых представлены также участками инфильтрации стенок внутрипеченочных сосудов и желчных протоков, очагами некроза печеночной паренхимы, различной величины и топографии. Все эти явления сопровождались сосудистыми расстройствами: неравномерным расширением внутрипеченочных капилляров, стазом в них, мелкими кровоизлияниями вокруг стенок сосудов разной величины и формы. Кроме того, обнаружены нарушения в виде амилоидоза стенок кровеносных сосудов печени.

Наиболее значительные нарушения в печени были отмечены у особей старших возрастных групп русского осетра и белуги, имевших в тканях пищеварительных органов высокие уровни свинца и кадмия.

Общая амилолитическая активность наиболее велика у стерляди, достигая величины 250 мкМоль*(г*мин)"' в отделах кишечника как у самцов, так и у самок. Несколько ниже (на 20-25 %) эта активность у белут, затем в порядке убывания активности следуют русский осетр и севрюга. Если рассматривать данные, сгруппированные по половому признаку, то становится заметна следующая особенность: у самок и самцов русского осетра различия по уровню общей амилолитической активности приблизительно в 10 раз выше, чем у самок. У севрюги различия по уровню активности самцов и самок носит менее выраженный характер. В отношении распределения общей амилолитической активности по различным участкам кишечника и различным пищеварительным железам следует сказать, что, в целом, характер такого распределения чрезвычайно разнообразен, отмечается рост активности от кардинального желудка к среднему кишечнику и пилорической железе, затем следует спад к ректальному отделу. Уровень активности в гомогенатах печени и поджелудочной железе выше, чем в органах пищеварительной трубки.

Альфа-амилолитическая активность, для всех групп рыб находится на почти одинаковом уровне, постепенно возрастая от кардинального отдела желудка к его пилорической части, затем к средней части кишечника, плавно снижаясь к его спиральному клапану. Наиболее велика, в сравнении с другими частями ЖКТ, альфа-амилолитическая активность в гомогенатах печени и пилорической железы у всех изученных видов рыб. У белуги и русского осетра более низкий уровень активности в исследуемых органах отмечается у самок, тогда как у севрюги и стерляди наблюдается обратная картина (Рис 6).

Общая протеолитическая активность достигает максимальных величин у стерляди, (15-20 мкМоль*(г*мин)-1). На втором месте располагается белуга, с уровнем активности на 20-50 % меньшим, и еще ниже уровень активности у осетра и севрюги.

Для всех исследованных рыб, за исключением осетра, средний уровень общей протеолитической активности выше у самцов, чем у самок. Величина различий между особями разного пола по данному признаку колеблется от процентов и десятков процентов для севрюги и осетра, до двух раз для белуги.

В анализируемом материале представлены рыбы, находившиеся на разных стадиях зрелости гонад. Показано, что особи севрюги и осетра, находившиеся на iV-V СЗГ, и V СЗГ (последнее у самок наблюдалось после гипофизарной инъекции) имели: 1) значительно сниженный уровень ферментативной активности, иногда до нулевых значений, в сравнении с рыбами более ранних стадий зрелости гонад, 2) колебания значений ферментативной активности в зависимости от участка пищеварительного тракта у каждой особи существенно снижались и общая картина изменения активности от участка к участку кишечника приобретала спокойный, ровный характер.

Таким образом, созревание рыбы вызывало существенное снижение ферментативной активности, что, вероятно, связано с нерестовыми адаптивными перестройками организма рыб. Одновременно следует отметить то обстоятельство, что высокие величины ферментативной активности на ранних СЗГ практически всегда были сопряжены со значительными колебаниями уровня активности от участка к участку кишечника и, в целом, создавали значительную вариабельность данных.

Высокое содержание в стенках ЖКТ свинца и кадмия у некоторых особей белуги и осетра старших возрастных групп заметно снижает ферментативную активность общей протеазы и альфа-амилазы, а высокий уровень цинка у некоторых севрюг приводит к увеличению уровня общей амилолитической активности в кишечнике.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Шипулин, Сергей Викторович, Астрахань

1. Абдурахманов Г. М., Волкова И. В., Егоров С. Н., Егорова В. И., Зайцев В. Ф., Коростелев С. Г. Особенности мембранного пищеварения карповых видов рыб.//Отв. ред. Абдурахманов, -М.: Наука, 2003.-301 с.

2. Абдурахманов Г.М., И.В. Зайцев Экологические особенности содержания микроэлементов ворганизме животных и человека / ред. Ш.И. Исмаилов. М.: Наука, 2004. - 279 с.

3. Абдурахманов Ю.А. Рыбы пресных вод Азербайджана. Баку: Изд-во АН Аз ССР, 1962.405 с.

4. Алейникова Т.Д., Рубцова Г.В. Биохимия. Руководство к практическим занятиям побиологической химии. М.: Высшая школа, 1988. - 239 с.

5. Алтуфьев Ю. В., Романов А. А., Шевелева Н. Н. Гистопатология поперечнополосатоймышечной ткани и печени каспийских осетровых// Вопросы ихтиологии, Т. 32, вып. 2., 1992.-С. 157-169.

6. Алтуфьев Ю.В. Печень каспийских осетровых в условиях антропогенного загрязнения среды

7. Экологические морфофункциональные основы адаптации гидробионтов. Краткие тезисы докладов конференции посвященной 90-летию со дня рождения профессора Н.Л. Гербильского. Д.: Изд-во ЛГУ, 1990. С. 3-5.

8. Алтуфьев Ю.В., Романов А.А., Шевелева И.И., Журавлева Г.Ф., Дубровская А.В.

9. Морфофункциональные показатели адаптаций и воспроизводительной способности ф каспийских осетровых// Тезисы докладов Первого конгресса ихтиологов России. Астрахань, сентябрь 1997. -М.: ВНИРО, 1997.

10. Алявдина Л. А. К биологии и систематике осетровых рыб на ранних стадиях развития. /Тр.

11. Сарат. отделения Касп. филиала ВНИРО, Т. 1, 1951. С. 14-32.

12. Алявдина Л.А. Об экологии размножения осетра в р.Волги./ Тр. Сарат. отделения Касп. филиала ВНИРО, Т.2,1953. С. 3.

13. Андреев В. В., Смирнов Г. С. Содержание Си, Zn, Со, Мп в теле паразитов осетровых рыб.// Докл. АН СССР, Сер. биол., 1971, т. 196, № 1-3, С. 486-488

14. Андреев В. В., Крючков В. И., Григорьев В. А. Накопление тяжелых металлов и водных экосистемах и их влияние ни осетровых рыб// Осетровое хозяйство водоемов СССР. Ч. 1. -Астрахань: 1989.-С. 117.

15. Аннотированный каталог круглоротых и рыб континентальных вод России. М.: Наука, 1998.-220 с.

16. Анохин Ю. А., Воронская Г. Н., Николишин И. Я., Салиев А. В., Остромогильский А. X. Глобальный баланс ртути в биосфере. Обнинск: Информационный центр, 1978а. - 44 с.

17. Анохин Ю. А., Воронская Г. Н., Николишин И. Я., Салиев А. В., Остромогильский А. X. Глобальный баланс свинца в биосфере. Обнинск: Информационный центр, 19786. - 24 с.

18. Аринушкина Е. В. Химический анализ почв и грунтов. М.: Изд-во МГУ, 1952.

19. Артюхин Е. Н. Персидский осетр в реках Северного Кавказа и перспективы его использования в осетровом хозяйстве// Биологические основы развития осетрового хозяйства в водоемах СССР. М.: Наука, 1979. - С. 105-114.

20. Афонич Р. В. Влияние различных рационов на развитие пищеварительной системы у личинок севрюги// Труды ВНИРО, 1970, т. 69. С. 174 -180.

21. Афонич Р. В., Соколова А. В., Стыгар В. М. Характеристика скатывающейся молоди А осетровых р.Урала по некоторым физиологическим показателям// Осетровое хозяйствоводоемов СССР. Тезисы докладов. Астрахань: 1984. - С. 29-31.

22. Бабкин Б.П. Секреторный механизм пищеварительных желез. Л.: Медгиз, 1960. - 777 с.

23. Бабушкин Н. Я. Биология и промысел каспийской белуги. Труды ВНИРО, 1964, т. 52. -С. 183-258.22