Ответная реакция организма крыс первого и второго поколений на хроническое воздействие кадмия

Фролова, Наталья Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Ответная реакция организма крыс первого и второго поколений на хроническое воздействие кадмия
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Ответная реакция организма крыс первого и второго поколений на хроническое воздействие кадмия"

005013556

Фролова Наталья Александровна

ОТВЕТНАЯ РЕАКЦИЯ ОРГАНИЗМА КРЫС ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЙ НА ХРОНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ КАДМИЯ

Специальность: 03.02.08 - Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г. БАЛАШИХА, 2012

005013556

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии Россельхозакадемии (ГНУ ВНИИСХРАЭ Россельхозакадемии), г. Обнинск

Научный руководитель: доктор биологических наук, Мирзоев

Эльдениз Балабек оглы

Официальные оппоненты: доктор ветеринарных наук, профессор,

Камалов Рамазан Абусупиянович

доктор биологических наук, профессор Сынзыныс Борис Иванович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО"Московская государственная

академия ветеринарной медицины и биотехнологии им. К.И. Скрябина"

Защита диссертации состоится 20 марта 2012 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 в ФГБОУ «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Юлиуса Фучика, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российский государственный аграрный заочный университет.

Автореферат размещен на сайтеах www.rgazu.ru, ге#ега1_уак@топ. gov.ru и разослан 17 февраля 2012г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

О.Л. Сойнова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Технический прогресс приводит к загрязнению биосферы тяжелыми металлами, в частности кадмием. Главными источниками поступления кадмия в окружающую среду являются предприятия по добыче и переработке цветных и черных металлов, тепловые электростанции (ТЭС), транспорт/машиностроительная, химическая и сельскохозяйственная промышленности, жилищно-коммунальные комплексы [Goering P.L., 1994]. В последние годы в высокотехнологичных производствах используют нанопорошки сульфида, селенида и теллурида кадмия, которые могут вносить существенный вклад в обицее загрязнение биосферы [Klaine S.J.et al., 2008].

В лромышленно развитых районах концентрация кадмия превышает допустимые нормативы в десятки раз, а около мощных источников выброса - в сотни и тысячи раз. Высокие уровни токсичных веществ регистрируют в радиусе 1-2 км от ТЭС, рудников и 2-5 км от металлургических комбинатов, а также на расстоянии 50-100 м от автомагистралей [Оценка и регулирование..., 1996]. В сточных водах свинцово-цинковых и машиностроительных заводов содержание кадмия составляет 1,5-5,0 и 1,0-6,0 мг/л, соответственно [Грушко Я.М., 1979]. Ненормированное внесение в почву в качестве удобрений осадков сточных вод также приводит к избыточному накоплению металла [Черных H.A. и др., 1999]. В целом, глобальная годовая эмиссия кадмия из природных источников (пыль, лесные пожары, извержения вулканов) составляет 840 т [Nriagu J.Q., 1979], а в результате хозяйственной деятельности человека - 7200 т [Мур Дж. В. и Рамамурти С., 1987].

В организм млекопитающих кадмий поступает в основном с кормом и водой. В зависимости от дозы и продолжительности воздействия металла отмечают высокую общую токсичность, змбриотоксичность, генотоксич-ность и канцерогенность [Fernandez E.L. et al., 2003; Godt J. et al., 2006; Järup L., 2002; Jiang G. et ai., 2008; Joseph P., 2009; Lau A.T.Y, and Chiu J.F., 2007; Valko M. et al„ 2006; Waalkes M.P. et a!., 1999; Wang L et al., 2008]. Токсическое действие кадмия характеризуется нарушением структурно-функционального состояния клеток периферической крови и тканей органов, что в конечном итоге приводит к их гибели. В качестве одного из механизмов цитотоксического действия ионов металла рассматривают активацию процесса свободнорадикального перекисного окисления липи-дов (ПОЛ) [Franko R. et al., 2009; Kara H. et al., 2005; Thijssen S. et al., 2007; Yang M.S. et al., 2008]. Вместе с тем в клеггках органов кадмий индуцирует синтез металлотионеинов, которые связывают ионы металла и действуют как ловушка для свободных радикалов [Beattie J.H. et al., 2005; Brako E.E. et al., 2002; Klaassen C.D. et al, 2009; Lynes M.A. et al., 2006; Miler E.A. et al., 2010; Park J.D. et al., 2001; Sabolió I. et al., 2010].

Основные закономерности ответной реакции организма млекопитающих получены при воздействии кадмия в больших дозах. Данные о биологических эффектах металла в малых дозах практически отсутствуют. Продемонстрирована высокая кумулятивная способность металла и возможность его попадания в ткани плода через плацентарный барьер, что может негативно влиять на состояние здоровья потомства в ряду поколений. В связи с этим актуальность исследования хронического воздействия кадмия в малых дозах не вызывает сомнений.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось изучение ответной реакции организма крыс первого и второго поколений на хроническое воздействие кадмия.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

- оценить количество эритроцитов и лейкоцитов в периферической крови; содержание метаплотионеинов в органах и мапоновогодиальдеги-да (МДА) в плазме и эритроцитах, а так же синтез ДНК в тимоцитах крыс первого поколения (Р,), подвергнутых хроническому воздействию кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития;

- исследовать вышеперечисленные показатели у крыс первого и второго поколений, подвергнутых хроническому воздействию кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития:

. Основные положения, выносимые на защиту:

- При хроническом воздействии кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза в органйзме крыс первого поколения формируются как адаптивно-защитные, так и негативные реакции.

- Ответная реакция организма крыс второго поколения (Р2) при хроническом воздействии нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза характеризуется развитием негативных реакций.

- Формирование адаптивно-защитных и/или негативных реакций при хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в организм крыс зависит от концентрации металла и длительности его поступления.

Научная новизна. Впервые показано, что ответная реакция организма крыс (Р, и Р2), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и постнатальный периоды онтогенеза, характеризуется развитием адаптивно-защитных и/или негативных реакций.

Установлено, что хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития (молочное вскармливание) оказывает негативное влияние на крыс первого поколения (Р,) в начальные сроки исследования. Обнаруженные изменения носили обратимый характер.

Хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза приводит к развитию адаптивно-защитных реакций организма крыс (Р,) на 120-е сутки исследования, которое проявляется активацией синтеза ДНК в тимоци-тах, увеличением содержания металлотионеинов в печени и снижением уровня МДА в эритроцитах периферической крови. Последующее поступление металла с питьевой водой в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л в организм характеризуется формированием негативных реакций на клеточном уровне: отмечали ингибирование синтеза ДНК в тимоцитах и увеличение уровня МДА в эритроцитах периферической крови.

У крыс второго поколения (Р2), подвергнутых хроническому воздействию кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза, наблюдали развитие только негативных реакций как на клеточном уровне (ингибирование синтеза металлотионеинов в клетках в печени и почках), так и в системе кроветворения (снижение количества лейкоцитов в периферической крови).

Формирование адаптивно-защитных и/или негативных реакций при хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в организм крыс (Р, и Рг) зависит от концентрации металла и длительности его поступления.

^ Теоретическая и практическая значимость работы. Получены новые экспериментальные данные об ответной реакции организма крыс (Р, и Р2) линии "Вистар" при хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л. Результаты работы позволяют понять молекулярно-клеточные механизмы действия кадмия и оценить степень реальной опасности металла при длительном хроническом воздействии на млекопитающих.

Данные диссертационной работы могут быть использованы при разработке санитарно-гигиенических нормативов и проведении экологического мониторинга.

Личный вклад диссертанта. Представленная работа является частью плановых исследований сектора №3 "Молекулярная биология сельскохозяйственных животных"(2005-2009 гг.), с личным вкладом в получении экспериментальных данных не менее 80%. Частично экспериментальные исследования выполнены при финансовой поддержке правительства Калужской области и Российского фонда фундаментальных исследований (Гранты № 02-04-96026; № 04-04-97217; № 09-04-97539). Автор принимал участие в постановке и проведении экспериментов, проводил статистическую обработку данных, анализировал и описывал полученные результаты, сформулировал основные положения и выводы.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международной научно-производственной конференции

"Актуальные проблемы ветеринарной патологии и морфологии животных", посвященной 100-летию со дня рождения профессора Авророва А.А. Воронеж, 2006; 3'" International Conference in Lithuania Metals in the environment. Vilnius, 2006; в научных трудах КФ МСХА имени К.А. Тимирязева. Калуга, 2006; "Актуальные проблемы экологии и природопользования", посвященной 50-летию РУДН Москва, 2010.

Материалы диссертационной работы, удостоены премии: Министерства экономического развитая Калужской области по итогам конкурса научных работ молодых ученых (Калуга, 2006); Всероссийской общественной организации токсикологов за научно-исследовательскую работу среди молодых ученых (Москва, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, включенных в перечень периодических научных и научно-практических изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикаций основных результатов диссертационного исследования.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материала и методик исследования, трех разделов собственных исследований, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 109 машинописных страницах, иллюстрирована 2 таблицами и 36 рисунками. Список литературы содержит 176 источников, из которых 43 принадлежат отечественным и 133 иностранным авторам.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Характеристика подопытных животных и схемы проведения экспериментов

Модельные исследования были проведены на 150 крысах линии "Вистар". Содержание, кормление, уход за животными и выведение их из эксперимента осуществляли в соответствии с требованиями "Правил проведения работ с использованием экспериментальных животных" (Приказ Минздрава России №267 от 19.06.2003 г.).

В соответствии с поставленными задачами были проведены 3 серии экспериментов;

- Первая серия экспериментов была выполнена на крысах первого поколения (РД которые были подвергнуты хроническому воздействию кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития. Для этого родители экспериментальных животных за месяц до спаривания взамен питьевой воды получали раствор нитрата кадмия в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л по иону металла. Через 30 суток постнатального периода развития (молочный период вскармливания) подопытных животных переводили на "чистую" питьевую воду.

- Часть животных первого поколения (Я,) продолжала получать раствор нитрата кадмия в течение 365 суток постнатального периода развития (вторая серия экспериментов).

- Третья серия экспериментов выполнена на втором поколении крыс (Р2), которые были получены от животных первого поколения. Для этого были сформированы пары животных (Р,), которые в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития взамен питьевой воды получали раствор нитрата кадмия в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л по иону металла. Подопытные животные (Р2) также были подвергнуты хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития.

Сроки отбора периферической крови, тимуса, селезенки, почек, печени были определены целью и задачами исследования. Образцы органов и крови отбирали под нембуталовым наркозом.

Таблица 1. Характеристика подопытных животных и схема проведения экспериментов

№ п/п Группы Животные Кол-во, . гол. Поколение Концентрация Cd в воде, мг/л Сроки исследования, сутки

1 опыт крысы 20 0.05 .

2 опыт крысы 20 F, 0.1 30, 60,90,120

3 контроль крысы 20 0

4 опыт крысы 15 0.05

5 опыт крысы 15 0.1 120, 210, 365

6 контроль крысы 15 0

7 опыт крысы 15 0.05

8 опыт крысы 15 f2 0.1 120, 210, 365

9 контроль крысы 15 0

Методы исследования

Биологическое действие нитрата кадмия оценивали по комплексу показателей:

- Содержание МДА в плазме и клетках крови определяли методом спектрофотометрии [Гончаренко М.С. и Л атипова А.М., 1985].

- Синтез ДНК в тимоцитах исследовали по включению гН-тимидина [Шевченко А.С., и др., 1991].

- Содержание металлотионеинов в тканях органов животных определяли радиохимическим методом [Eaton D.L. and Toal B.F., 1982].

- Жизнеспособность клеток оценивали в тесте с трипановым синим [Практикум..., 2001].

- Количество эритроцитов и лейкоцитов в периферической крови определяли в камере Горяева [Клиническая ...., 1985].

Экспериментальный материал был обработан методом вариационной статистики с использованием критерия Стьюдента [Лакин Г.Ф., 1990]. Различия значений считали достоверными при р<0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1, Ответная реакция организма крыс первого поколения (Р,), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития

Оценка содержания лейкоцитов и эритроцитов в периферической крови крыс, подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития (молочный период вскармливания), выявила следующие особенности. Количество лейкоцитов у животных первой группы на 30-е, 60-е и 90-е сутки исследования было ниже контроля на 28%, 48% и 46%, соответственно (р<0,05). В то же время у крыс второй группы снижение числа клеток наблюдали на 30-е и 60-е сутки на 53% и 45%, соответственно (р<0,05). Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны на 30-е и 90-е сутки.

Изменения количества эритроцитов в периферической крови носили фазовый характер. У животных первой группы на 60-е сутки регистрировали уменьшение, а на 120-е - увеличение (р<0,05). У крыс второй группы на 30-е и 60-е сутки исследования наблюдали тенденцию к снижению числа клеток, а на 90-е сутки - повышение (р<0,05). Достоверные различия значений показателя у животных опытных групп отмечали в течение всего периода исследования.

При воздействии кадмия одной из первичных ответных реакций организма является индукция синтеза металлотионеинов, которые связывают ионы металла и действуют как ловушка для свободных радикалов. Хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и молочный период вскармливания крыс индуцировало синтез металлотионеинов в печени (табл. 2). Уживотных первой группы увеличение показателя регистрировали в течение всего периода исследования. Различия значений были достоверны на 30-е сутки. В то же время у крыс второй группы содержание ме-таллотионеинов возрастало на 30-е и 60-е сутки (51% и 36%, соответственно). В последующие сроки значения показателя были на уровне контроля.

В почках подопытных крыс активацию синтеза металлотионеинов наблюдали на 120-е сутки исследования (табл. 2). Достоверные различия значений отмечали у животных первой группы,

В то же время в селезенке крыс, первой группы содержание метал-лотионеиное было на уровне контрольных значений в течение всего периода наблюдения. У животных второй группы на 30-е и 60-е сутки регистрировали увеличение уровня показателя на 80% и 71%, соответственно (р<0,05). Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны на 30-е сутки.

Таблица 2. Содержание металлотионеинов в органах крыс первого поколения (Р^, подвергнутых хроническому воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнаталъного периода развития, % от контроля

Группы животных Сроки исследования, сутки

30 60 90 120

Печень

1(0,05 мг/л) 123,2 ±6,3* 134,9 ±19,8 126,7 ±8,1 111,0 ±9,8

2 (0,1 мг/л) 150,7 ±10,6* 136.5 ±2,9* 77,7 ±8,5' 100,6 ±10,4

3 (контроль) 100.0 ±4,2 100,0 ±0.9 100,0 ±15,7 100,0 ±7,4

Почки

1(0,05 мг/л) 99,7 ±5,5 115,8 ±9,1 85,1 ±8,4* 180,6 ±19,3*

2(0,1 мг/л) 106,9 ±4,6 98,3 ±4,1 91,1 ±7,8 128,1 ±14,Г

3 (контроль) 100,0 ±3,8 100,0 ±5.4 100,0 ±6,2 100,0 ±8,5

Селезенка

1(0,05 мг/л) 119,1 ±12,5 128,9 ±11,1 105,5 ±3,2 91,1 ±9,1

2(0,1 мг/л) 180,1 ±6,8" 170.9 ±9,8* 129,1 ±14,4 91,2 ±7,2

3 (контроль) 100,0 ±6,4 100,0 ±5,0 100,0 ±10,9 100,0 ±8,7

Примечание здесь и далее:* - достоверно относительно контроля при р<0,05; + достоверные различия между опытными группами при р<0,05

Оценка концентрации МДА в плазме крови крыс первой группы на 30-е и 120-е сутки обнаружила увеличение величины показателя на 55% и 39%, соответственно (табл. 3). У животных второй группы на протяжении всего эксперимента уровень МДА был выше контроля. Достоверные различия значений регистрировали на 60-е и 120-е сутки исследования (47% и 19%, соответственно).

В эритроцитах периферической крови крыс изменения показателя в зависимости от концентрации нитрата кадмия в питьевой воде носили разнонаправленный характер (табл. 3). У животных первой группы на 30-е сутки содержание МДА было ниже контроля на 32% (р<0,05), а второй - выше. В последующие сроки существенных изменений не отмечали. Достоверные различия значений между показателями животных опытных групп наблюдали на 30-е сутки.

Таблица 3. Содержание МДА в плазме и эритроцитах периферической крови крыс первого поколения (К,), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития, % от контроля

Группы животных Сроки исследования, сутки

30 60 90 120

Плазма

1(0,05 мг/л) 155,1 ±11,6* 120,2 ±13,1 94,3 ±5,1 139,1 ±7,2*

2(0,1 мг/л) 99,8 ±25,7* 147,6 ±8,7* 104,6 ±11,7 118,9 ±6,6*

3 (контроль) 100,0 ±26,1 100,0 ±10,6 100.0 ±8,9 100,0 ±9,7

Эритроциты

1(0,05 мг/л) 67,6 ±11,7* 76,7 ±22,5 98,7 ±12,4 85,1 ±5,9

2(0.1 мг/л) 122,1 ±6,3* 82,6 ±2,7 101,4 ±9,2 114,6 ±5,7

3 (контроль) 100,0 ±7,5 100,0 ±23,3 100,0 ±26,7 100,0 ±11,5

По мере накопления в клетках ионы Сс12* могут оказывать негативное влияние на структурно-функциональное состояние молекулы ДНК. Оценка интенсивности синтеза ДНК в тимоцитах выявила нелинейный характер изменений (рис. 1). У крыс первой группы на 30-е и 60-е сутки регистрировали снижение уровня показателя на 37% и 27%, соответственно. В то же время у животных второй группы интенсивность синтеза ДНК была ниже контроля в течение всего периода исследования. На 90-е и 120-е сутки отмечали уменьшение величины показателя на 32% и 19%, соответственно (р<0,05). Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны на 120-е сутки.

У///У,1 1 группа (0,05 мг/л)

30 60 90 120

Сроки иследоаания, сутки Рис. 1. Синтез ДП К в тимоцитах крыс первого поколения (Р1), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития

Полученные результаты свидетельствуют о том, что хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток пост-натального периода развития оказывает негативное влияние на организм крыс (поколение Р,) в начальные сроки исследования. Выявленные изменения носили обратимый характер, так как в последующие сроки наблюдения регистрировали восстановление значений исследуемых показателей до уровня контроля. Следует отметить, что хроническое поступление нитрата кадмия с питьевой водой в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л в течение 60 суток постнатального периода развития не вызывало в организме крыс отклонений биологических показателей от нормы [Мирзоев Э.Б. и др.. 2004]. Поэтому можно предположить, что потомство (Я,) получено от физиологически здоровых родителей (Р0), а выявленные у животных (Р,) нарушения зависят от дозы, величины перехода кадмия в ткани плода во время беременности и продолжительности его поступления в постнатальный период развития. Вероятно, обратимый характер изменений обусловлен не только прекращением поступления и интенсивностью выведения металла из организма, но и снижением концентрации кадмия в тканях органов по мере увеличения живой массы млекопитающих в процессе постнатального развития.

Таким образом, хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития приводило к снижению количества лейкоцитов в периферической крови крыс (Р,) в начальные сроки исследования. В то же время изменения количества эритроцитов носили нелинейный характер. Содержание металлотионеи-нов в печени и селезенке было увеличено на 30-е и 60-е сутки, а в почках

- на 120-е сутки. Изменения концентрации МДА в плазме и эритроцитах периферической крови носили нелинейный характер. В плазме крови наблюдали достоверное повышение значений показателя, а в эритроцитах

- снижение. Оценка интенсивности синтеза ДНК в тимоцитах выявила уменьшение её значений практически во все сроки исследования.

2. Ответная реакция организма крыс первого поколения (Р,), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода

развития

Оценка количества лейкоцитов и эритроцитов в периферической крови крыс, подвергнутых хроническому воздействию кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития, обнаружила следующие особенности. В зависимости от концентрации нитрата кадмия в питьевой воде у подопытных животных четвертой и пятой фупп на 120-е сутки исследования отмечали разнонаправленный характер изменений содержания лейкоцитов. У животных четвертой группы количество лейкоцитов возрастало относительно контроля на 37,3%. Напро-

тив, у крыс пятой группы наблюдали снижение числа клеток на 26,3%. В последующие сроки исследования (210-е и 365-е сутки) существенных изменений не регистрировали. Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны на 120-е сутки.

В то же время определение количества эритроцитов у подопытных животных выявило повышение на 120-е и 210-е сутки исследования. На 365-е сутки у крыс четвертой группы регистрировали уменьшение числа клеток, а пятой - увеличение на 77% относительно контроля (р<0,05). Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны на 120-е и 365-е сутки.

Хроническое воздействие кадмия индуцировало синтез металлотио-неинов в печени крыс на 120-е и 210-е сутки исследования. У животных четвертой группы на 210-е сутки отмечали достоверное увеличение концентрации металлотионеинов на 70% (табл. 4). На 365-е сутки значения показателя были на уровне контроля. В то же время у крыс пятой группы на 120-е сутки регистрировали максимальное содержание металлотионеинов в печени, что было выше значений показателя у животных шестой (контроль) и четвертой групп, соответственно, на 123% и 110%, (р<0,05). В последующие сроки исследования (210-е и 365-е сутки) наблюдали снижение уровня металлотионеинов до контрольных значений.

Таблица 4. Содержание металлотионеинов в органах крыс первого поколения №,)> подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнаггального периода развития, % от контроля

Группы животных Сроки исследования, сутки

120 ( 210 | 365

Печень

4 (0,05 мг/л) 112,8±14,6 170,9±39,3 81.2±17,5

5 (0,1 мг/л) 223,3±42,8" 113,9±16,9* 113,2±17,9

6 (контроль) 100.0+3,6 100,0+14,9 100,0±10,7

Почки

4 (0,05 мг/л) 111,4±7,5 81,4+0,3 88,5+6,6

5 (0,1 мг/л) 106,9+14,5 94,6+9,6 126,9+3,7*'

6 (контроль) 100,0+2,1 100,0+12,8 100,0±10,2

Селезенка

4 (0,05 мг/л) 119,5±11,5 112,0±3,2 131,6±15,8

5(0,1 мг/л) 106,3±4,2 111,3±2,9 156,5±14,6*

6 (контроль) 100,0+5,4 100,0±8,8 100,0±11,0

В почках изменения показателя носили слабо выраженный характер (табл. 4). На 365-е сутки у крыс пятой группы регистрировали

достоверное увеличение относительно животных четвертой и шестой групп на 27% и 39%, соответственно.

В то же время концентрация металлотионеинов в тканях селезенки подопытных животных возрастала в течение всего периода наблюдения (табл. 4). У крыс пятой группы на 365-е сутки исследования отмечали увеличение на 56% относительно контроля (р<0,05).

Оценка содержания МДА в плазме и эритроцитах периферической крови крыс выявила следующие особенности. В плазме крови животных четвертой группы на 120-е и 210-е сутки регистрировали увеличение на 41% и 30%, соответственно (р<0,05). На 365-е сутки отмечали уменьшение значений показателя до уровня контроля (табл. 5). У животных пятой группы на 120-е сутки содержание МДА возрастало на 31% (р<0,05). В последующие сроки исследования не наблюдали существенных изменений. Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны на 210-е сутки.

В эритроцитах периферической крови крыс изменения уровня МДА носили фазовый характер (табл. 5). Достоверное уменьшение концентрации МДА на 29% и 20% наблюдали у животных четвертой и пятой групп на 120-е сутки исследования, соответственно. Напротив, на 210-е сутки значения показателя возрастали на 182% и 97%, соответственно (р<0,05). На 365-е сутки в зависимости от уровня кадмия в питьевой воде у крыс четвертой и пятой групп отмечали разнонаправленный характер изменений. У животных четвертой группы концентрация МДА была выше контроля, а в пятой - ниже. Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны на 210-е и 365-е сутки.

Таблица 5. Содержание МДА в плазме и эритроцитах периферической крови крыс первого поколения (1^), подвергнутых хроническому воздействию цитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития, % от контроля

Группы животных Сроки исследования, сутки

120 ■ 210 | 365

Плазма

4 (0,05 мг/л) 141,0±104* 130,2±3,7* 101,2±4,6

5 (0,1 мг/л) ізі;г±із,б* 87,6+9,5* 106,8+11.9 '

6 (контроль) 100,0+4,4 100,0+4,3 100,0+1,7

Эритроциты

4 (0,05 мг/л) 71,6+2,7* 282,4+11,8* 143,4±8,0*

5 (0,1 мг/л) 78,4±0,8 196,7+5,0" 81,3+9,2*

6 (контроль) 100,0±3,4 100,0±15,5 100,0+2,0

160

140

120 У/У/,

100 -

80 1 - щк

60 - - р

40 - кт Ь/%-

0 -

Определение интенсивности синтеза ДНК в тимоцитах крыс на 120-е сутки обнаружило достоверное повышение на 25% и 36% у животных четвертой и пятой групп, соответственно (рис. 2). В последующие сроки наблюдали снижение значений показателя у животных опытных групп относительно контроля: на 210-е сутки на 25% и 44%, а на 365-е сутки на 28% и 19%, соответственно (р<0,05). Наиболее выраженные изменения отмечали у животных пятой группы. Различия значений между показателями крыс опытных групп были достоверны на 210-е сутки.

ШШ 4 группа (0,05 мг/л) 5 группа (0,1 мг/л)

- 6 группа (контроль) Рие- 2- Синтез ДНК в тимоцитах крыс первого поколения подвергнутых хроническому воздействию

нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатадьного периода развития 120 210 365

Сроки исследования, сутки

Интенсивность синтеза ДНК в тимоцитах, вероятно, зависит от внутриклеточного содержания ионов СсР. При низких концентрациях металла синтез ДНК активируется, а высоких, напротив, - ингибируется. Предполагается, что ионы СсР по мере увеличения внутриклеточной концентрации оказывают повреждающее действие на ДНК.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза приводит к изменению у крыс первого поколения (Р,) количества лейкоцитов и эритроцитов в периферической крови, содержания металлотионеинов в органах (печень, почки, селезенка), концентрации МДА в плазме и эритроцитах крови, интенсивности синтеза ДНК в тимоцитах. Обнаруженные на 120 сутки исследования изменения носят компенсаторно-приспособительный характер и свидетельствуют о формировании в организме адаптивно-защитных реакций. В последующие сроки наблюдения (210-е и 365-е сутки) регистрировали развитие негативных реакций: отмечали ингибирование синтеза ДНК в тимоцитах и увеличение концентрации МДА в эритроцитах.

Известно, что в системе мать-плод через плацентарный барьер проникает 0,02% кадмия от его общей дозы [Зопашапе В.Р?. е! а!., 1975]. Учитывая короткий период воздействия металла на родителей (Р0) и, следовательно, низкие уровни накопления в организме матери (Р),

можно предположить, что формирование негативных реакций у крыс первого поколения обусловлено воздействием кадмия в постнатальный период развития.

Действительно, наибольшее количество металла в организм крысят поступает в молочный период вскармливания, так как с молоком матери всасывается практически 100% токсичного элемента. В то же время при поступлении кадмия в организм крыс с питьевой водой всасывается лишь 1-5%. Несмотря на то, что максимальное количество металла переходит в организм крысят в начальный период постнатального онтогенеза, развитие негативных реакций в клетках регистрировали на 210-е и 365-е сутки исследования. Возможно, это связано со снижением действующей концентрации металла в органах и тканях в результате увеличения живой массы крысят. Необходимо подчеркнуть, что процесс интенсивного роста крысят завершается к 180 суткам постнатального периода онтогенеза.

Следовательно, ответная реакция организма крыс (F,), подвергнутых хрони-ческому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития характеризуется развитием как адаптивно-защитных, так и негативных реакций на уровне клеток. Следует отметить, что степень проявления этих изменений зависит от концентрации кадмия в питьевой воде и продолжительности его. поступления в организм.

3. Ответная реакция организма крыс второго поколения (F2), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода

развития

Оценка содержания лейкоцитов и эритроцитов в периферической крови крыс второго поколения (F2), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития выявила снижение количества лейкоцитов у животных седьмой и восьмой групп в течение всего периода наблюдения. Наиболее выраженный характер изменений регистрировали у крыс восьмой группы. На 120-е, 210-е и 365-е сутки исследования величина показателя была ниже контроля на 61%, 46% и 65%, соответственно (р<0,05). Различия значений между показателями животных опытных фупп были достоверны на 120-е и 365-е сутки.

В то же время изменения количества эритроцитов носили нелинейный характер. У крыс седьмой группы на 120-е сутки наблюдали увеличение числа клеток на 27% и 40% относительно контроля и восьмой группы, соответственно (р<0,05). В дальнейшем значения показателя были на уровне контроля. У животных восьмой группы на протяжении всего срока исследования существенных изменений не регистрировали.

Определение содержания металлотионеинов в органах (печень, почки, селезенка) крыс второго поколения обнаружило следующие особенности (табл. 6). В печени животных седьмой группы после незначительной активации синтеза металлотионеинов на 120-е сутки отмечали ингиби-рование на 210-е и 365-е сутки. У животных восьмой группы изменения показателя носили более выраженный характер. На 120-е сутки регистрировали увеличение на 250%, а на 210-е и 365-е сутки уменьшение на 40% и 35%, соответственно (р<0,05). Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны на 120-е сутки.

Аналогичную динамику показателя регистрировали в почках, однако эти изменения имели менее выраженный характер (табл. 6). У животных восьмой группы на 120-е сутки отмечали увеличение на 25% (р<0,05), а на 210-е сутки - уменьшение на 15% (р<0,05). Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны на 210-е сутки.

Таблица 6. Содержание металотионеинов в органах крыс второго поколения (Р,), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатальпого периода развития, % от

контроля

Группы животных Сроки исследования, сутки

120 210 | 365

Печень

7 (0,05 мг/л) 115,8±21,2 91,1+14,0 68,2±1,8*

8 (0,1 мг/л) 350,3±46,9** 60,3+6,2* 65,4±6,7*

9 (контроль) 100,0±22,5 100,0+10,4 100,0+10.4

Почки

7 (0,05 мг/л) 132,3±20,9 108,2+7,3 81,5±13,8

8 (0,1 мг/л) 152,3±8,1* 84,7±2,9** 94,9±10,9

9 (контроль) 100,0±11,4 100,0+5,1 100,0+10,4

Селезенка

7 (0,05 мг/л) 223,6±47,9* 120,3+8,0 104,7±4,1

8(0,1 мг/л) 123,4+8,0* 151,7±23,5** 81,8+3,0

9 (контроль) 100,0+7,2 100,0+10,1 100,0+10,4

В то же время в селезенке изменения концентрации металлотионеинов носили нелинейный характер (табл. 6). На 120-е сутки у животных седьмой группы наб-людали увеличение значений показателя на 123% (р<0,05) с последующим сни-жением до уровня контроля на 210-е и 365-е сутки. В тканях селезенки крыс восьмой группы на 120-е и 210-е сутки регистрировали повышение активности синтеза металлотионеинов на 23% и 51%, соответственно (р<0,05). Напротив, на 365-е сутки

лостнатального периода развития отмечали тенденцию к снижению содержания металлотионеинов. Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны на 120-е и 210-е сутки.

Оценка содержания МДА в плазме периферической крови крыс выявила повышение его величины на 120-е сутки (табл. 7). Различия значений между показателями животных опытных групп были достоверны. У крыс седьмой группы наблюдали рост концентрации МДА относительно контроля на 55% (р<0,05), а восьмой - на 20% (р<0,05).

Таблица 7. Содержание МДА в плазме и эритроцитах периферической крови крыс второго поколения (Р2), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития, % от контроля

Группы Сроки исследования, сутки

животных 120 210 365

Плазма

7 (0,05 мг/л) 155,0+6,2* . 102,2±2,2 89,7+9,1

8(0,1 мг/л) 120,1+8,3" 107,0+16,9 65,0±9.8**

9 (контроль) 100,0+6,2 100,0±10,6 100,0±26,1

Эритроциты

7 (0,05 мг/л) 90,7±5,6 88,6+7,2 101,9+3,1

8 (0,1 мг/л) 78,113,6* " 147,8+11,5** 103,8+7,4

9 (контроль) 100,0±11,4 100,0+8,7 100,0+7,6

В дальнейшем содержание МДА в плазме крови имело тенденцию к снижению. У животных восьмой группы на 365-е сутки исследования регистрировали уменьшение уровня МДА на 35% и 24% относительно контроля и седьмой группы, соответственно (р<0,05).

В эритроцитах периферической крови подопытных животных концентрация МДА на 120-е сутки исследования была ниже контроля (табл. 7). Достоверные различия значений наблюдали у крыс восьмой группы. На 210-е сутки в зависимости от концентрации кадмия в питьевой воде регистрировали разнонаправленный характер изменений величины показателя. У животных восьмой группы отмечали увеличение концентрации МДА на 48% (р<0,05). К концу эксперимента (365-е сутки) значения показателя у крыс контрольной и опытных групп были на одинаковом уровне. Достоверные различия значений между показателями животных опытных групп регистрировали на 210-е сутки.

Длительное хроническое воздействие нитрата кадмия на организм крыс второго поколения (Р2) оказывало влияние на синтез ДНК. Оценка интенсивности синтеза ДНК в тимоцитах, выявила фазовый характер изме-

нений (рис. 3). У животных седьмой группы на 120-е сутки постнатального периода развития отмечали активацию синтеза ДНК на 60% (р<0,05) с последующим ингибированием на 50% - на 210-е сутки (р<0,05). На 365-е сутки наблюдали повышение величины показателя на 20% (р<0,05). Аналогичные изменения интенсивности ДНК регистрировали у крыс восьмой группы. На 210-е сутки исследования значения показателя были снижены на 56% относительно контроля (р<0,05).

Сроки исследования, сутки

Рис. 3. Синггез ДНК в тимощпах крыс второго поколения (Е2), подвергнутых хроническому воз-действию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития

Полученные результаты свидетельствуют о том, что хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития характеризуется формированием негативных реакций в организме крыс второго поколения (Р2): изменением количества лейкоцитов в периферической крови; содержания металлотионеинов в органах (печень, почки, селезенки), МДА в плазме и эритроцитах периферической крови, синтеза ДНК в тимоцитах. Очевидно, что степень проявления нарушений зависит от концентрации кадмия в питьевой воде и продолжительности его поступления в организм.

Длительное поступление кадмия с питьевой водой в организм крыс-родителей (Р,) повышает его содержание в органах и тканях, что влияет на величину перехода металла в плод через плаценту во время беременности, и, соответственно, усиливает воздействие металла на потомство в антенатальный период развития. Кроме того, в период спаривания у животных (Р,), отмечали развитие реакций негативного характера на клеточном уровне. Более того, не от всех крыс-самцов (Р,) было получено потомство (Р2), что свидетельствует о нарушении их

репродуктивной функции и подтверждается данными о повышении количества аномальных головок спермиев на 80-е сутки исследования при хроническом воздействии хлорида кадмия [Осипов А.Н. и др., 2000].

Следовательно, ответная реакция организма крыс (F2) при хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л зависит не только от концентрации металла и длительности его поступления, но и, возможно, от периода воздействия (антенатальный и/или постнатальный) и физиологического состояния родителей (F,).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Техногенное загрязнение окружающей среды кадмием оказывает негативное влияние на млекопитающих. В организм животных он в основном поступает с кормом и водой. На всасывание металла в ЖКТ млекопитающих влияют возраст, пол, лактация, рацион. Кадмий обладает высокой кумулятивной способностью и в период беременности животных, проникая через плаценту, оказывает повреждающее действие на плод как непосредственно, так и косвенно, вызывая изменения в организме матери [Запавина C.B., 2009]. Характер нарушений развития плода зависит от срока беременности, продолжительности воздействия токсичного элемента и его дозы (концентрации). Значительное увеличение перехода кадмия через плацентухарактерно в поздние сроки беременности животных.

В то же время у животных первого поколения (F1), которые продолжали получать раствор нитрата кадмия в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л в течение 365 суток постнатального периода развития, динамика содержания лейкоцитов и эритроцитов в периферической крови, метал-лотионеинов в печени, почках и селезенке, МДА в плазме и эритроцитах периферической крови и интенсивности синтеза ДНК в тимоцитах имела другой характер. Сравнительный анализ данных позволяет предполо-

жить, что обнаруженные изменения на 120-е сутки исследования носили компенсаторно-приспособительный характер и свидетельствовали о формировании адаптивно-защитных реакций организма. В последующие сроки наблюдения (210-е и 365-е сутки) отмечали формирование негативных реакций на клеточном уровне.

Ранее нами было показано, что хроническое поступление нитрата кадмия в организм крыс (3-4 месячного возраста) с питьевой водой в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л в течение первых 60 суток не вызывает отклонений биологических показателей от нормы [Мирзоев Э.Б. и др.. 2004]. Поэтому можно предположить, что потомство (Р,) получено от физиологически здоровых родителей (Р0), а выявленные у животных (Р,) нарушения зависят от дозы, величины перехода кадмия в ткани плода во время беременности и продолжительности его поступления в постна-тальный период развития.

Учитывая тот факт, что у крыс первого поколения дозы кадмия и величина перехода в ткани плода во время, беременности одинаковы, то различия в ответной реакции организма можно объяснить продолжительностью поступления металла в постнатальный период развития. Действительно, животные (Р,.) в первой серии экспериментов получали кадмий только с молоком матери в течение 30 суток, а второй - как в молочный период вскармливания, так и с питьевой водой.

Количество токсичного элемента,; которое переходит в плод во время внутриутробного развития в несколько раз ниже, чем в период молочного вскармливания [Булдаков Л.А. и Москалев Ю.И., 1968]. Поэтому наиболее опасным периодом воздействия металла можно считв+ь поступление кадмия с молоком матери. Более того, в постнатальный период онтогенеза всасывание металла в ЖКТ в период молочного вскармливания составляет практически 100%, а с питьевой водой 1-5%.

На 120-е сутки исследования у животных Р, в первой серии экспериментов регистрировали восстановление обнаруженных изменений. В то же время у крыс Р, во второй серии экспериментов, которые продолжали получать кадмий с питьевой водой, значения показателей превышали контроль, что позволяет предположить формирование адаптивно-защитных реакций.

Хроническое поступление кадмия в организм крыс (Рг) на фоне развития негативных процессов у родителей (Р,) оказывало неблагоприятное влияние на потомство во втором поколении: отмечали снижение количества лейкоцитов в периферической крови у животных (Р2) в течение всего периода наблюдения; изменение содержания металлотионеи-нов в органах (печень, почки, селезенка) и МДА в плазме и эритроцитах периферической крови, синтеза ДНК в тимоцитах.

Необходимо отметить, что если первое поколение животных было получено от физиологически здоровых крыс (Р0), то второе поколение

животных было получено от крыс (Р,), у которых регистрировали негативные реакции, обусловленные хроническим воздействием кадмия в антенатальный и постнатальный периоды развития (365 суток). Более того, не от всех крыс-самцов (Р,) было получено потомство (Р2), что свидетельствует о нарушении их репродуктивной функции.

Сравнительный анализ ответной реакции крыс в первом и втором поколении выявил различия. У крыс первого поколения наблюдали развитие как адаптивно-защитных, так и негативных реакций на уровне клеток. Формирование негативных реакций отмечали на 210-е и 365-е сутки исследования (увеличение содержания МДА в эритроцитах и ингибирование синтеза ДНК в тимоцитах), тогда как у крыс во втором поколении негативные реакции выявлены как на клеточном уровне, так и в системе органов кроветворения (лейкопения). Возможно, это зависит от величины трансплацентарного перехода кадмия.

Действительно, коэффициент перехода кадмия в ткани плода у животных одинаков, однако уровни накопления в организме матери (Р0 и Р,) разные. Это предположение подтверждают данные, полученные при хроническом воздействии радионуклидов на овец. Установлено, что с каждым последующим окотом повышается поступление токсикантов в плод [Булдаков Л.А. и Москалев Ю.И., 1968].

Следовательно, формирование адаптивно-защитных и/или негативных реакций при хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в организм крыс (Р, и Р2) зависит от концентрации металла, длительности его поступления, периода воздействия (антенатальный и/ или постнатальный) и физиологического состояния родителей.

В рамках исследования биологического действия кадмия определенное внимание уделяли механизмам цитотоксического действия. Известно, что одной из ключевых реакций цитотоксического действия ионов кадмия является процесс свободнорадикального ПОЛ. При воздействии металла в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развитая отмечали ингибирование процесса свободнорадикального ПОЛ в эритроцитах периферической крови крыс (поколение Р,) на 30-е и 60-е сутки исследования. В последующие сроки наблюдения существенных изменений относительно контроля не регистрировали. В то же время в эритроцитах периферической крови крыс первого и второго поколений, которые в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития были подвергнуты хроническому воздействию кадмия, на 120-е сутки регистрировали ингибирование процесса свободнорадикального ПОЛ, а на 210-е сутки - активацию. Вероятно, обнаруженные изменения зависят от уровня биоантиоксидантов в организме, СсР-индуцированного синтеза металлотионеинов и внутриклеточной концентрации кадмия. Не исключается также то, что это связано с обновлением пула эритроцитов.

выводы

1. Хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития оказывало негативное влияние на крыс (поколение F,) в начальные сроки исследования, что характеризовалось снижением количества эритроцитов и лейкоцитов в периферической крови и интенсивности синтеза ДНК в тимоцитах. Динамика содержания металлотионеинов в тканях органов и МДА в плазме и эритроцитах периферической крови имела нелинейный характер. Обнаруженные изменения носили обратимый характер.

2. Хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза характеризуется развитием у крыс первого поколения (F,) как адаптивно-защитных, так и негативных реакций. На 120-е сутки исследования регистрировали активацию синтеза ДНК в тимоцитах, увеличение содержания металлотионеинов в печени и снижение МДА в эритроцитах, что свидетельствует о развитии компенсаторно-приспособительных реакций у животных. Последующее поступление металла в организм с питьевой водой в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л приводило к развитию негативных реакций: отмечали ингибирование синтеза ДНК в тимоцитах и увеличение концентрации МДА в эритроцитах периферической крови.

3. У крыс второго поколения (F2), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза, развитие негативных реакций наблюдали как на клеточном уровне (ингибирование синтеза металлотионеинов в клетках органов), так и в системе кроветворения (снижение количества лейкоцитов в периферической крови). Изменения концентрации МДА и интенсивности синтеза ДНК носили нелинейный характер.

4. Ответная реакция организма крыс (F, и F2) на хроническое поступление нитрата кадмия с питьевой водой в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л характеризуется развитием адаптивно-защитных и/или негативных реакций. Формирование адаптивно-защитных и/или негативных реакций зависит от концентрации металла в питьевой воде и длительности его поступления в организм.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

1. Фролова H.A. Биологическое действие кадмия при хроническом воздействии в антенатальный и постнатальный периоды развития крыс II Токсикологический вестник. - 2007. №1. - С. 11-13.

2. Фролова H.A. Оценка содержания металлотионеинов в органах крыс первого поколения (F,), подвергнутых хроническому воздействию

кадмия // Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности.-2010. №1. - С. 14-17.

3. МирзоевЭ.Б., Кобялко В.О., Губина O.A., Фролова H.A. Ответная реакция организма крыс (поколение F,) при хроническом воздействии кадмия в антенатальный и молочный период вскармливания // Токсикологический вестник. 2011. №4. -С. 16-19

Статьи в сборниках трудов конференций

1. Мирзоев Э.Б., Кобялко В О . Фролова H.A.. Губина O.A., Мельник А.Д. Содержание металлотионеинов в органах крыс при хроническом воздействии кадмия II Международная научно-производственная конференция "Актуальные проблемы ветеринарной патологии и морфологии животных", посвященную 100-летию со дня

рождения профессора Авророва A.A. Воронеж. 22-23 июня. - 2006. - С.730-733.

2. Mirzoev Е„ Kobyalko В., Gubina О., Frolova N. A study into biological effects of cadmium nitrate chronically uptaken by rats with drinking water // 3rd International Conference in Lithuania "Metals in the environment". Vilnius. 26- 29 April. - 2006. - P.239-240.

3. Фролова H. А- Мирзоев Э.Б., Кобялко B.O., Губина O.A. Биологическое действие кадмия при хроническом поступлении в организм крыс в антенатальный и постнатальный периоды развития II Научные труды КФ РГАУ-МСХА. Вып. 8. - Калуга: ИП Кошелев А.Б. Издательство "Эйдос". - 2008. - С.157-161.

4. Мирзоев Э.Б., Кобялко В.О., Губина O.A., Фролова H.A. Ответная реакция организма крыс при хроническом воздействии кадмия в антенатальный и молочный период вскармливания //Актуальные проблемы экологии и природопользования. Вып. 12: Сборник научных трудов. - М.: ИПЦ "Луч". - 2010. - С. 226-230.

Публикации в других изданиях

1. Мирзоев Э.Б., Кобялко В.О., Шевченко Т.С., Губина O.A., Валей-чик А.И., Силкина H.A. Отдаленные биологические эффекты кадмия при хроническом поступлении в организм крыс с питьевой водой II Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук. Выпуск 8. - Калуга: Издательский дом "Эйдос" - 2005. - С.277-282.

2. Мирзоев Э.Б., Кобялко В.О., Губина O.A., Силкина H.A. Отдаленные биологические эффекты кадмия при хроническом поступлении в организм крыс в малых и больших дозах II Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук. Выпуск 10. - Калуга: Издательский дом "Эйдос". - 2006. - С.318-325.

3. Мирзоев Э.Б., Кобялко В.О.. Фролова H.A.. Губиня O.A., Мельник А.Д. Отдаленные биологические эффекты кадмия при хроническом поступлении в организм крыс в малых и больших дозах // Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук. Выпуск 11. - Калуга: Изд-во AHO "КНЦ". - 2007. - С. 352-360.

4. Мирзоев Э.Б., Кобялко В.О., Губина O.A., Фролова H.A. Ответная реакция организма крыс при хроническом воздействии кадмия в антенатальный и молочный период вскармливания // Труды регионального конкурса научных проектов в области естественных наук. Выпуск 15. -Калуга: Изд-во AHO "КНЦ*. - 2010. - С. 151-155.

Сдано в набор 17.02.12 Тираж 100 экз. Заказ №В Объем 22 сто. Отпечатано на ризографе. Издание ГНУ ВНИИСХРАЭ

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Фролова, Наталья Александровна, Балашиха

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ РАДИОЛОГИИ И АГРОЭКОЛОГИИ

61 12-3/593

На правах рукописи

Фролова Наталья Александровна

ОТВЕТНАЯ РЕАКЦИЯ ОРГАНИЗМА КРЫС ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЙ НА ХРОНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

КАДМИЯ

Специальность: 03.02.08 - Экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: Мирзоев Э.Б., д.б.н.

стр.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.................................................... 4

ВВЕДЕНИЕ....................................................................... 5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................................... 11

1.1. Физико-химические свойства кадмия и источники поступления в окружающую среду............................................................. 11

1.2. Метаболизм кадмия в организме млекопитающих....................... 14

1.2.1. Трансплацентарный переход кадмия........................................ 18

1.3. Механизмы цитотоксического действия кадмия.......................... 22

1.4. Индукция металлотионеинов в организме млекопитающих и их функции........................................................................... 31

1.5. Биологические эффекты кадмия в организме млекопитающих........ 35

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ............................ 42

2.1. Характеристика подопытных животных и схема проведения экспериментов........................................................................... 42

2.2. Расчет и обоснование доз кадмия........................................... 43

2.3. Методы исследования.......................................................... 45

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ............ 50

3.1. Ответная реакция организма крыс первого поколения (¥1), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития........................................................................... 50

3.2. Ответная реакция организма крыс первого поколения (Р^, подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития........................................................................... 63

3.3. Ответная реакция организма крыс второго поколения (Р2),

подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода

развития..............................................................................................................................................................................................75

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................................................86

ВЫВОДЫ....................................................................................................................................................90

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................................92

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АФК - активные формы кислорода

ВОЗ - Всемирная организация здравоохранения

Г-6-ФДГ - глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

ЖКТ - желудочно-кишечный тракт

МДА - малоновый диальдегид

МТ - металлотионеин

НАД - никотинамиддениндинуклеотид

НАДФН - никотинамиддениндинуклеотидафосфат

ПК - пероксидаза

ПОЛ - перекисное окисление липидов

СДГ - сукцинатдегидрогеназа

СОД - супероксиддисмутаза

ТЭС - тепловые электростанции

ФАН - фагоцитарная активность нейтрофилов

ФИ - число активных фагоцитов

цАМФ - циклический аденозин монофосфат

ЦИК - циркулирующие иммунные комплексы

ARE - сайт антиоксидантной защиты в гене металлотионеинов

DMT1 - переносчик двухвалентных металлов

FAD - флавинадениндинуклеотид

GSH - восстановленная форма глутатиона

GSSG - окисленная форма глутатиона

LD50 - средняя летальная доза токсического вещества, вызывающая гибель

половины членов испытуемой группы животных МТР1 - метал транспортирующий протеин 1 NAD[P]H - глутатионредуктаза

Актуальность темы. Технический прогресс приводит к загрязнению биосферы тяжелыми металлами, в частности кадмием. Главными источниками поступления кадмия в окружающую среду являются предприятия по добыче и переработке цветных и черных металлов, тепловые электростанции (ТЭС), транспорт, машиностроительная, химическая и сельскохозяйственная промышленности, жилищно-коммунальные комплексы [Goering P.L., 1994]. В последние годы в высокотехнологичных производствах используют нанопорошки сульфида, селенида и теллурида кадмия, которые могут вносить существенный вклад в общее загрязнение биосферы [Klaine S J.et al., 2008].

В промышленно развитых районах концентрация кадмия превышает допустимые нормативы в десятки раз, а около мощных источников выброса - в сотни и тысячи раз. Высокие уровни токсичных веществ регистрируют в радиусе 1-2 км от ТЭС, рудников и 2-5 км от металлургических комбинатов, а также на расстоянии 50-100 м от автомагистралей [Оценка и регулирование..., 1996]. В сточных водах свинцово-цинковых и машиностроительных заводов содержание кадмия составляет 1,5-5,0 и 1,0-6,0 мг/л, соответственно [Грушко Я.М., 1979]. Ненормированное внесение в почву в качестве удобрений осадков сточных вод также приводит к избыточному накоплению металла [Черных Н.А. и др., 1999]. В целом, глобальная годовая эмиссия кадмия из природных источников (пыль, лесные пожары, извержения вулканов) составляет 840 т [Nriagu J.O., 1979], а в результате хозяйственной деятельности человека - 7200 т [Мур Дж. В. и Рамамурти С., 1987].

ТЧ U __»_»

В организм млекопитающих кадмии поступает в основном с кормом и водой. В зависимости от дозы и продолжительности воздействия металла отмечают высокую общую токсичность, эмбриотоксичность, генотоксичность и канцерогенность [Fernandez E.L. et al., 2003; Godt J. et al., 2006; Jàrup L., 2002; Jiang G. et al., 2008; Joseph P., 2009; Lau A.T.Y. and Chiu J.F., 2007; Valko M. et al., 2006; Waalkes M.P. et al., 1999; Wang L. et al., 2008]. Токсическое действие кадмия

характеризуется нарушением структурно-функционального состояния клеток периферической крови и тканей органов, что в конечном итоге приводит к их гибели. В качестве одного из механизмов цитотоксического действия ионов металла рассматривают активацию процесса свободнорадикального перекисного окисления липидов (ПОЛ) [Franko R. et al., 2009; Kara H. et al., 2005; Thijssen S. et al., 2007; Yang M.S. et al., 2008]. Вместе с тем в клетках органов кадмий индуцирует синтез металлотионеинов, которые связывают ионы металла и действуют как ловушка для свободных радикалов [Beattie J.H. et al., 2005; Brako E.E. et al, 2002; Klaassen C.D. et al, 2009; Lynes M.A. et al., 2006; Miler E.A. et al, 2010; Park J.D. et al., 2001; Sabolic 1. et al., 2010].

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи: • оценить количество эритроцитов и лейкоцитов в периферической крови; содержание металлотионеинов (МТ) в органах и малонового диальдегида (МДА) в плазме и эритроцитах, а так же синтез ДНК в тимоцитах крыс первого поколения (Fi), подвергнутых хроническому воздействию кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития;

• исследовать вышеперечисленные показатели у крыс первого и второго поколений, подвергнутых хроническому воздействию кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При хроническом воздействии кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза в организме крыс первого поколения формируются как адаптивно-защитные, так и негативные реакции.

2. Ответная реакция организма крыс второго поколения (Б2) при хроническом воздействии нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза характеризуется развитием негативных реакций.

3. Формирование адаптивно-защитных и/или негативных реакций при хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в организм крыс зависит от концентрации металла и длительности его поступления.

Научная новизна. Впервые показано, что ответная реакция организма крыс и Р2), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и постнатальный периоды онтогенеза, характеризуется развитием адаптивно-защитных и/или негативных реакций.

Установлено, что хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития (молочное вскармливание) оказывает негативное влияние на крыс первого поколения (Б]) в начальные сроки исследования. Обнаруженные изменения носили обратимый характер.

металлотионеинов в печени и снижением уровня МДА в эритроцитах периферической крови. Последующее поступление металла с питьевой водой в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л в организм характеризуется формированием негативных реакций на клеточном уровне: отмечали ингибирование синтеза ДНК в тимоцитах и увеличение уровня МДА в эритроцитах периферической крови.

Формирование адаптивно-защитных и/или негативных реакций при хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в организм крыс (Р] и Р2) зависит от концентрации металла и длительности его поступления.

Теоретическая и практическая значимость работы. Получены новые экспериментальные данные об ответной реакции организма крыс (Р, и Р2) линии "Вистар" при хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л. Результаты позволяют понять молекулярно-клеточные механизмы действия кадмия и оценить степень реальной опасности металла при длительном хроническом воздействии на млекопитающих.

Данные диссертационной работы можно использовать при разработке санитарно-гигиенических нормативов и проведении экологического мониторинга.

сельскохозяйственных животных"(2005-2009 гг.), с личным вкладом в получении экспериментальных данных не менее 80%. Частично экспериментальные исследования выполнены при финансовой поддержке правительства Калужской области и Российского фонда фундаментальных исследований (Гранты № 02-0496026; № 04-04-97217; № 09-04-97539). Автор принимал участие в постановке и проведении экспериментов, проводил статистическую обработку данных, анализировал и описывал полученные результаты, сформулировал основные положения и выводы.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международной научно-производственной конференции "Актуальные проблемы ветеринарной патологии и морфологии животных", посвященной 100-летию со дня рождения профессора Авророва А.А. Воронеж, 2006; 3rd International Conference in Lithuania "Metals in the environment". Vilnius, 2006; в научных трудах КФ МСХА имени К.А. Тимирязева. Калуга, 2006; "Актуальные проблемы экологии и природопользования", посвященной 50-летию РУДН Москва, 2010.

Материалы диссертационной работы, удостоены премии: Министерства экономического развития Калужской области по итогам конкурса научных работ молодых ученых (Калуга, 2006); Всероссийской общественной организации токсикологов за научно-исследовательскую работу среди молодых ученых (Москва, 2006).

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Физико-химические свойства кадмия и источники поступления в окружающую среду

Кадмий относится к группе II Б периодической таблицы, его порядковый номер 48, атомная масса

112,4. Cd достаточно тяжелый (удельный вес 8,6 г/см3) серебристо-белый ковкий металл, который плавится при 320,9°С и кипит при 765°С. Степень окисления Cd [Рейли К., 1985]. Некоторые соли кадмия, такие как сульфат, нитрат и галогенид растворимы в воде, а сульфид, карбонад и оксид практически нерастворимы [HSDB, 2003; IARC, 1993; Llewellyn Т.О., 1994]. Ионный радиус Cd близок к таковому у Са .По Полингу они равны 0,97 Е и 0,99 Е, а по Бокию 0,99 Е и 1,04 Е [Крышталь О.А., 1976; HSDB, 2003].

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) среднее содержание кадмия в морской воде составляет 0,1 мкг/л, в речной - от 1 до 13,5 нг/л, в земной коре - 0,15 мг/кг [Кадмий: Экологические аспекты..., 1994]. В вулканических породах концентрация металла находится в пределах от 0,001 до 1,8; метаморфных - от 0,04 до 1,0; осадочных - от 0,1 до 11 мг/кг. Почвы из таких исходных материалов содержат 0,1-0,3; 0,1-1,0 и 3,0-11,0 мг/кг кадмия, соответственно [Некоторые вопросы токсичности..., 1993]. Фоновое содержание кадмия в почве в значительной мере определяется её типом: в подзолистых и дерново-подзолистых оно составляет 0,70-2,31 мг/кг; серых лесных - 0,65 мг/кг, черноземах - 0,70-1,00 мг/кг, красноземах - 1,25 мг/кг [Золотарева Н.В. и Скрипниченко И.И., 1980]. Естественные дерново-подзолистые почвы Калужской области содержат 0,15-0,20 мг/кг металла [Учватов В.П. и Золотарева Б.Н., 1996]. Концентрация металла в атмосферном воздухе "чистой" территории составляет 0,006 мкг/м3, в сельской местности -

Глобальное годовое поступление кадмия из природных источников (пыль, лесные пожары, вулканическая деятельность) составляет 840 тонн [Nriagu J.O., 1979], а в результате антропогенной эмиссии - 7200 тонн [Мур Дж.В.и Рамамурти С., 1987]. Главными антропогенными источниками поступления металла в биосферу являются предприятия по добыче и переработке черных и цветных металлов, ТЭС, теплоцентрали, транспорт, машиностроительная и химическая промышленность, сельскохозяйственное производство, жилищно-коммунальные комплексы. В промышленно развитых районах концентрация кадмия превышает нормативы в десятки раз, а около мощных источников выброса - в сотни и тысячи раз. Наиболее загрязненными оказываются почвы в радиусе 2-5 км от металлургических комбинатов, 1-2 км от ТЭС, рудников и на расстоянии 50-100 м от автомагистралей [Оценка и регулирование качества окружающей природной среды..., 1996]. Концентрация металла в сточных водах свинцово-цинковых заводов находится в пределах от 1,5 до 5,0 мг/л, машиностроительных заводов - от 1,0 до 6,0 мг/л [Грушко Я.М., 1979]

Загрязнение питьевой воды происходит при использовании гальванизированных труб или цистерн, наличия в водонагревательных приборах спаек и других деталей, содержащих кадмий.

В последнее время в качестве удобрений широко используют различные виды осадков сточных вод, промышленных и бытовых отходов органического и неорганического происхождения. Ненормированное внесение их в почву приводит к избыточному накоплению кадмия в продукции сельского хозяйства [Черных H.A. и др., 1999].

С развитием технологий растет использование в промышленности наночастиц, содержащих кадмий. Например, для производства плазменных дисплеев и панелей управления применяют нанопорошки из сульфида кадмия, селенида кадмия и теллурида кадмия [Klaine S.J. et al., 2008]. Объемы производства и рынок наноматериалов растет во всем мире. По прогнозу общий

объем продаж продукции, полученной с использованием нанотехнологий, превысит к 2015 г. 10 триллионов долларов США [СЬегикип Р. е1 а1., 2006]. Производство некоторых видов наноматериалов развивается и в Российской Федерации [Алфимов М.В. и Разумов В.Ф., 2007]. Наноматериалы обладают свойствами, часто радикально отличными от их аналогов в форме макроскопических дисперсий, и поэтому представляют собой принципиально новый фактор воздействия [Онищенко Г.Г. и др., 2007; СЬегикип Р. е1 а1., 2006; НоЫаррк М.Р. ег а1., 2005].

Следовательно, с развитием технического прогресса возрастает производство кадмия и его соединений, что увеличивает вероятность поступления металла в окружающую среду и, соответственно, в организм млекопитающих.

1.2. Метаболизм кадмия в организме млекопитающих

В организм млекопитающих кадмий в основном �

Информация о работе

Фролова, Наталья Александровна
кандидата биологических наук
Балашиха, 2012
ВАК 03.02.08

Диссертация

Ответная реакция организма крыс первого и второго поколений на хроническое воздействие кадмия - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы