Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Реакции организма каспийских осетровых (Acipenseridae) на загрязнение среды обитания
ВАК РФ 03.03.01, Физиология
Автореферат диссертации по теме "Реакции организма каспийских осетровых (Acipenseridae) на загрязнение среды обитания"
На правах рукописи
Гераскин Петр Петрович
РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА КАСПИЙСКИХ ОСЕТРОВЫХ (АС1РЕ^ЕКГОАЕ) НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ
Специальность: 03.03.01 - физиология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук
Москва-2013
21 НОЯ 2013
005538896
Работа выполнена на кафедре аквакультуры и водных биоресурсов ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» Федерального агентства по рыболовству
Официальные оппоненты: Панов Валерий Петрович - доктор
биологических наук, профессор кафедры физиологии, морфологии и биохимии животных ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет -МСХА имени К.А.Тимирязева»
Пронина Галина Иозеповна - доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник ГНУ ВНИИ ирригационного рыбоводства Р АСХН
Балыкин Павел Александрович -
доктор биологических наук, заведующий лабораторией ихтиологии Южного научного центра РАН
Ведущая организация: ВГБУН «Институт экологии волжского
бассейна» РАН
Защита состоится «23» декабря 2013 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д220.043.09 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А.Тимирязева по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, д.15, тел./факс: (499) 975-24-92
С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ имени Н.И.Железнова РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева
Автореферат разослан «_»_2013 г.
Ученый секретарь / /
диссертационного совета А.А.Ксенофонтова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Длительный сброс промышленных сточных вод в реки, впадающие в Каспий, смывы с сельхозполей ядохимикатов и удобрений, попадание в воду нефти и нефтепродуктов при её добыче в море и прибрежных районах, во время транспортировки и эксплуатации водного транспорта значительно ухудшили экологическую обстановку в этом регионе. Особенно сильно загрязнялось море в период интенсификации сельского хозяйства и роста промышленности в 7080-е гг. прошлого века. В конце этого периода уровень загрязнения морских вод достиг критических величин (Ласкорин, Лукьяненко, 1990). С этого времени оно по силе воздействия на рыб не стало уступать природным факторам и вылилось в постоянно действующую, новую силу, негативного характера, что значительно ухудшило условия обитания шдробионтов. В большей степени загрязнение моря сказалось на осетровых, следствием чего стал феномен «расслоения» мышц и ослабление оболочек икры, явление которое ранее не было описано нигде в литературе. К 1987 г. оно достигло массового характера у внешне здоровых рыб. В это же время были зафиксированы и существенные изменения в их физиологическом состоянии. Они выражались в значительных отклонениях функциональных показателей от уровня 60-70-х гг. и структурных нарушениях в печени, жабрах, мышцах и половых железах, выявляемых гистологическими методами, значение и взаимосвязь которых в большинстве случаев было непонятно. Исследования, проводимые в этом направлении, ограничивались констатацией факта влияния поллютантов на те или иные физиолого-биохимические показатели, а целью экспериментов с токсикантами, как правило, было более точное определение ПДК. Практически отсутствовали исследования, показывающие формирование реакции организма гидробионтов на увеличение загрязнения среды их обитания и его механизм. Тем более что развитие промышленности, сельского хозяйства и интенсификация добычи нефти в Волго-Каспийском регионе в будущем может привести к повторению экологической ситуации 80-х годов. Можно полагать, что лишь всесторонний анализ многолетних данных исследования осетровых, полученных при разных уровнях загрязнения водной среды, позволит раскрыть и понять механизмы реакций организма рыб, объяснить изменения в обменных процессах и морфофункциональном состоянии различных тканей и органов.
Цель и основные задачи исследования
Основная цель данной работы состояла в выявлении причинно -следственных связей между действующими негативными факторами внешней среды и изменениями в физиолого-биохимических показателях и гистоморфологических структурах тканей и их адаптационный смысл на основе
комплексного физиолого-биохимического и гистологического анализов. В связи с этим, были поставлены следующие задачи:
1. Показать реакцию организма осетровых рыб и её развитие в условиях антропогенного влияния на экосистему Волго-Каспия.
2. Исследовать изменения физиолого-биохимических показателей отражающих функционирование различных физиологических систем осетровых рыб и степень повреждения структур тканей мышц, жабр и половых желез при колебаниях уровня загрязненности среды обитания.
3. Выявить смысл формирования различного уровня ответных реакций осетровых рыб на воздействие загрязнений.
4. Раскрыть механизм появления структурно-функциональных изменений у осетровых рыб при различных уровнях загрязнения воды.
Научная новизна работы
Впервые на большом фактическом материале в природных условиях показано развитие реакции организма осетровых рыб на загрязнение среды их обитания. Доказано, что в подавляющем большинстве своём они являются различного уровня неспецифичес кими адаптационными реакциями организма. Впервые обоснована степень вовлечённости в адаптационный процесс различных функциональных систем от уровня загрязнения и длительности его действия. Установлены причинно-следственные связи и механизм проявления у осетровых рыб структурных и функциональных нарушений. Приведены доказательства, что явление «расслоения» мышц у осетровых рыб, в условиях загрязнения моря, вызвано тканевой или точнее гепатотоксической гипоксией.
Теоретическое и практическое значение работы
На основе многолетних мониторинговых исследований физиологического состояния осетровых и анализа литературных данных впервые показан механизм отклика физиологических систем на различный уровень интоксикации рыб в природных условиях, и роли свободнорадикального окисления в появлении функциональных и структурных изменений в мышечной ткани и печени. Приведены доказательства, что в природных условиях реакция рыб на токсическое воздействие загрязнения среды обитания проявляется в подавляющем большинстве комплексом адаптивных реакций, уровень которых зависит от полученной дозы, соотношения прооксидантных и антиоксидаятных веществ и степени необходимости обеспечения энергией организма в этих условиях.
Практическая значимость работы заключается в использовании результатов и выводов в практической ихтиологии при долгосрочном и краткосрочном прогнозировании возможных выловов рыб промыслом и
аквакультуре при оценке физиологического состояния рыб и устранении оксидативного стресса, например, при использовании некачественных кормов.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Уровень перекисного окисления липидов в печени и мышцах осетровых рыб, обитающих в море, (при прочих равных условиях) определяется степенью загрязнения воды.
2. Степень ингибирования активности цитохромоксидазы в печени и мышцах, в условиях загрязнения водной среды, обуславливает уровень перекисных процессов, индуцируемых токсикантами.
3. В основе структурно-функциональных изменений, зафиксированных у осетровых рыб, лежат процессы детоксикации, мобилизации энергоресурсов и удовлетворение возросших энергозатрат, динамика соотношения прооксидантных и антиоксидантных веществ, переход в метаболическую депрессию.
4. Реакция организма осетровых рыб на загрязнение водной среды представляет собой комплекс неспецифических адаптивных реакций.
Апробация работы
Основные результаты по теме диссертации были заслушаны и обсуждены на III (Киев, 1976), VI (Паланга, 1985), VII (Кара-Даг, 1989) Всесоюзных конференциях по экологической физиологии и биохимии рыб, Первом (Ростов Великий, 1987) и Втором (Ярославль, 1990) симпозиумах по экологической биохимии, 7-ом научном совещании по эволюционной физиологии, посвященной памяти Л.А. Орбели (Ленинград, 1977), Второй всесоюзной конференции по рыбохозяйственной токсикологии (С-Петербург, 1991), на II (Russia, Moscow-Kostroma, 1993), III (Italy, Piacennza, 1997), VI (China, Wuhan, Hubei provincce, 2009) Международных симпозиумах по осетровым рыбам, на первом конгрессе ихтиологов России (Астрахань, 1997), на двух симпозиумах «Современная экологическая обстановка Волго-Каспийского бассейна и её влияние на осетровых рыб» (Волгоград, 1989; Дубна, 1990), Всероссийских конференциях Нейроэндокринология-95 (С-Петербург, 1995), Нейроэндокринология-2000 (С-Петербург, 2000), Нейроэндокринология-2010 (С-Петербург, 2010), Всесоюзных совещаниях по осетровым рыбам (Астрахань, 1984, 1989,) Международных конференциях: «Осетровые на рубеже XXI века» (Астрахань, 2000) и «Проблемы изучения, сохранения и восстановления водных биологических ресурсов в XXI веке» (Астрахань, 2007), симпозиуме «Экологические и функциональные основы адаптации гидробионтов», посвященного 100-летию со дня рождения профессора Н.Л. Гербильского (Санкт-Петербург, 2000), Международной конференции «Современные проблемы водной токсикологии» (Борок, 2005).
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 76 печатных работ, в том числе 16 статей в рецензируемых научных журналах, отнесенных к перечню ВАК.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, 2-х разделов обзора литературы, характеризующих загрязнение низовьев р. Волги и Каспийского моря как новый фактор современной среды обитания осетровых рыб и влияние отдельных групп токсических веществ на физиологические системы организма рыб; четырех глав, посвященных: материалам, методологии и методам изучения влияния загрязнений на физиологическое состояние осетровых; описанию и анализу реакции организма осетровых на воздействие антропогенных факторов; влиянию степени загрязненности водной среды на физиологические системы; формированию реакций организма осетровых рыб на загрязнение их среды обитания; заключения и выводов. Работа изложена на 418 страницах машинописного текста, иллюстрирована 36 рисунками, содержит 44 таблицы. В работе использовано 595 источника, из них 450 отечественных и 145 зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Обзор литературы
1.1. Загрязнепие низовьев р. Волги и Каспийского моря как новый фактор современной среды обитания осетровых
В данном разделе изложены материалы исследований отечественных учёных и их коллег из прикаспийских государств по уровню загрязнения Каспия и рек, впадающих в него. Из анализа этих материалов следует, что загрязнение представляло в это время устойчивый негативный фактор.
1.2. Влияние токсикантов на физиологические системы рыб
В разделе представлен анализ исследований отечественных и зарубежных авторов по влиянию отдельных видов токсических веществ (тяжёлые металлы, нефть, пестициды и т.д.) на физиолого-биохимические показатели рыб. Из чего следует, что реакции организма на них неспецифичны и отражают изменения в печени, почках и жабрах. Клинически острое отравление проявляется в форме судорог, потери равновесия, конвульсиях, и т.д., и заканчивается смертельным исходом большинства рыб. Конечным результатом хронического воздействия на рыб токсикантов является истощение, заканчивающееся нарушениями репродуктивной функции.
2. Материалы, методология и методы исследования
В работе обобщены многолетние данные (1980-2003 гт.) изучения физиологического состояния русского осетра (Acipenser gueldenstaedtii Br.), севрюги (.Acipenser stellatus Pall.) и белуги (Huso huso L.) в естественной среде обитания, с привлечением данных ранних исследований и литературных источников. Рыбы, выловленные в море, находились на II СЗГ, т.е. в физиологически спокойном состоянии, в реке - на III или IV СЗГ, на этапе их активного созревания. Отлов осетровых в море производили тралом в течение 30 минут. В реке - отбирались из неводных уловов на экспериментальных тонях «Чкаловская» и «Мужичья», расположенные соответственно в 120 км ниже и 80 км выше г. Астрахани и в нижнем бьефе Волгоградской ГЭС. В общей сложности на разные виды биохимических, гематологических и гистологических анализов использовано 5592 рыбы, из которых 2545 особей русского осетра (1083 экз. - море, 1462 экз. - река), 2156 севрюги (610 экз. -море, 1546 экз. - река) и 891 белуга (531 экз. - море, 360 экз. - река). Изучение реакции организма осетровых на загрязнение, проводили на основе методологического подхода, разработанного автором, в котором изначально были заложены иные задачи, чем ставились ранее (Шульман 19.72; Шатуновский 1980; Лукьяненко, 1971), а также были положены в основу биохимического интегрального индекса (БИИ), упрощающего интерпретацию биохимических данных при определении ПДК для рыб (Немова, Высоцкая, 2004). Это изучение реакций различных функциональных систем рыб. При этом такая индикаторная система должна была удовлетворять таким условиям: мгновенно реагировать на антропогенный фактор, т.е. чувствительность и реактивность одних показателей, чтобы уловить первичную реакцию организма на него; отражать последствия этих воздействий на организм (полуконсерватизм других); выражать весь спектр временного (длительность и частоту) воздействия негативных факторов внешней среды и его силы, т.е. коммулятивный эффект третьих.
Исходя из выше перечисленных постулатов, подобран небольшой комплекс показателей, характеризующих работу наиболее важных для рыб физиологических систем, таких как дыхательная, энергетическая, регуляторно-гомеостатическая, защитная и репродуктивная.
О состоянии дыхательной функции судили, по морфофункциональному состоянию жабр, содержанию в крови эритроцитов и гемоглобина и дополнительно - по соответствию сформированности фракционного состава гемоглобина этапам онтогенеза. Заключительные компоненты дыхательной системы представляют клеточное дыхание, тесно связанное с получением энергии, т.е. энергетической функцией организма. В качестве индикаторов
состояния этой системы у осетровых рыб, исследовались ключевые ферменты аэробного - цитохромоксидаза и анаэробного - лактатдегидрогеназа, обменов.
В условиях действия возмущающих факторов среды не обойтись без исследований регуляторно-гомеостатичесхой функции. Из большого комплекса регулирующих механизмов, поддерживающих гомеостаз, мы ограничились исследованием показателей метаболизма, изучая в крови концентрации белка, ß-липопротеидов, холестерина, общих липидов и в ряде случаев фосфолипидов, а также содержание в печени гликогена. Дополнительно исследовали содержание в мышцах водорастворимого белка и его фракционный состав. Также в рамках этой системы изучался уровень перекисного окисления липидов, который в нормальных условиях представляет собой обычный метаболический процесс, протекающий практически во всех тканях организма.
В системе механизмов поддерживающих гомеостаз особую роль играет защитная функция. Она многоступенчата и иерархически сложна. Поэтому мы ограничились исследованием лишь двух интегральных показателей, характеризующих состояние иммунитета и антиоксидантной защиты - общей антиоксвдантной активности, и уровню вторичного иммунодефицита (индекса ингибирования антител). Дополнительно изучались факторы клеточного иммунитета: количественный состав лейкоцитов и соотношение их форм.
Кроме того, исследовалось морфофункциональное состояние половых желёз, печени и мышц.
Как базис относительно «нормального» состояния организма осетровых рыб взяты данные по физиолого-биохимическому интерьеру исследуемых видов, полученные в 60-70-х гг. при относительно благополучной среде.
Физиолого-биохимические методы исследования сыворотки крови
В сыворотке крови исследовали содержание общего белка, общих липидов, ß-липопротеидов, холестерина, фосфолипидов. Величину общего белка определяли рефрактометрически (Филиппович и др., 1982); общие липиды - колориметрическим методом (Zollner N., Kirsch К., 1962); ß-липопротеиды - по Бурштейну и Самай (Тодоров, 1963); общий холестерин -прямым методом по Ильку (Меньшиков, 1987), фосфолипиды - по Колбу и Камышникову (1976).
Гематологические методы исследования крови
В крови определяли содержание общего гемоглобина, количество эритроцитов и лейкоцитов, а также лейкоцитарную формулу. Подсчет форменных элементов крови проводился в счетной камере Горяева. Дифференцировка форменных элементов осуществлялась по Н.Т. Ивановой (1983). Индекс сдвига лейкоцитов (ИСЛ) - по методу Н.И. Яблучанского (1983) в модификации А.Д. Сухопаровой (1986). Содержание в крови гемоглобина
(Hb) изучали унифицированным цианметгемоглобиновым фотометрическим методом (Кушаковский, 1968).
Физиолого-биохимические методы исследования тканей
В печени и мышцах определяли активность цитохромоксидазы и лактатдегидрогеназы, скорость аскорбатзависимого и спонтанного перекисного окисления липидов, содержание малонового диальдегида, а также общую антиоксидантную активность. Кроме того, в печени - содержание гликогена, в мышцах - водорастворимого белка. Гомогенаты тканей, готовили по стандартной методике в гомогенизаторе Поттера. Активность ЦО определяли по Гумидову и Сорокиной (1967), ЛДГ - по скорости окисления лактата в пируват (Методы биологии развития..., 1974), скорости ПОЛ по реакции МДА с тиобарбитуровой кислотой (Строев, Макарова, 1986), уровень АОА - по величине торможения переокисления липидов в модельной системе по методу Клебанова и др. (1988). Для определения гликогена в тканях его осаждали и очищали по Бренду (Brandt, 1966), анализ заканчивали реакцией с антроновым реактивом (Seift et al., 1950). Содержание водорастворимого белка, в экстракте ткани, спектрофотометрически по методу Варбурга и Христиана (Методы биологии развития..., 1974). Мышечные белки и гемоглобин разделяли методом диск-электрофореза в полиакриламидном геле (Маурер, 1971).
Иммунологические методы
Для оценки состояния иммунной системы рыб использован метод определения уровня вторичного иммунодефицита у животных, предложенный A.M. Земсковым и Н.В. Журавлевой (1977) и усовершенствованный A.A. Шепелевым и A.B. Колодиной (1989) и модифицированный нами применительно к рыбам (Переварюха, 2005).
Гистологические методы исследования жабр, печени, мышц и ооцитов
Для исследования морфофункционального состояния мышц, печени, жабр и ооцитов использовались классические гистологические методы световой микроскопии (Ромейс, 1953; Меркулов, 1969). Отклонения от нормы гонадо- и гаметогенеза оценивали по Т.И. Фалеевой (1965), H.H. Шевелевой и A.A. Романову (1989). Состояние жаберного эпителия - по пятибалльной шкале, в основе которой шкала Л.А. Лесникова и И.Д. Чинаревой (1987).
Статистическая обработка
Статистическая обработка полученных данных проводилась на компьютере с применением стандартных статистических методов: t-критерия Стъюдеята, кластерного анализа, вычислением регрессионных уравнений, с помощью пакетов программ Microsoft Excel, Stadia, Statistica 6.
3. Реакции организма осетровых на воздействие антропогенных факторов в р. Волге и Каспийском море
Первые признаки влияния антропогенныой нагрузки на осетровых рыб появились сразу же после зарегулирования р. Волги плотинами ГЭС, в форме массовой резорбции ооцитов не завершивших трофоплазматический рост, из-за отсутствия условий для икрометания (Баранникова, 1967, 1975; Песериди, 1966). Провоцировало этот процесс и изменение условий зимовки и гидротермического режима (Трусов, 1963; Алтуфьев и др., 1980; Лукьяненко и др., 1990). Во всех случаях нарушения функции половых желез возникали в условиях действия неблагоприятных факторов.
Схожей оказалась и первоначальная реакция осетровых рыб в начале 80-х годов, на загрязнение Каспия и рек в него впадающих. У 20% самок севрюги и русского осетра уже в начале нерестового пути в реке были выявлены нарушения функции половых желез (Алтуфьев и др., 1984). Патологические изменения в половых клетках на II СЗГ отмечались и у рыб, нагуливающихся в море, а у самок русского осетра - задержка развития половых желёз (Романов и др., 1990,2001). У белуги - снижение темпов формирования фракционного состава гемоглобина, из-за тормозящего эффекта развития биохимических систем, возникающего в неблагоприятных условиях (Гераскин, 1972). У самок русского осетра и севрюги, мигрирующих на нерест, были обнаружены функциональные нарушения (Оегавкт, 1995; Гераскин и др., 2001). У осетра -снижение содержания в печени гликогена в 1,8 раза (р<0,001), в крови холестерина в 1,5 раза (р<0,001). У севрюги они были более выраженными и проявлялись в начале нерестового пути наличием признаков физиологического истощения: низким содержанием в крови Р-липопротеидов (1,58±0,29 г/л) и белка (19,0±2,0 г/л), а также нарушениями вителлогенеза (Гераскин и др., 1984). Икра у таких самок, хотя и овулировала, но не оплодотворялась, либо давала не жизнеспособных личинок. У севрюг, нагуливающихся в море, отмечалось увеличение, в сравнении с 60-70 гг., в крови содержания общих липидов у самцов в 1,2, у самок в 1,4 раза (р<0,001), а также холестерина на 18% (р<0,05).
Наиболее сильное влияние загрязнения моря сказалось на осетровых в конце 80-х годов, когда у части рыб появился феномен «расслоения» мышц и ослабления оболочек икры, которые явились результатом токсикоза (Лукьяненко, 1990) и, в частности, тканевой или точнее гепатотоксической гипоксии (Гераскин, 1989). Пик наибольших изменений функционального характера и разнообразия и глубины нарушений в морфофункциональном состоянии тканей мышц, печени и гонад пришёлся на 1987-1989 гг. У русского осетра эти изменения показаны в таблице 1. Вначале (1987 г.) трансформировались показатели, которые свидетельствовали об экстренном
увеличении потребления энергии, как за счет аэробной, так и анаэробной составляющих, с увеличением потребления кислорода. Дальнейшие изменения (1988-1989 гг.) связаны с углублением трансформации обмена веществ и нарушением минерального обмена. Увеличение в крови русского осетра на 20-
Таблица 1
Характеристика физиолого-биохимических показателей крови
Показатели крови М±т
1987 г. 1988 г. 1989 г. 1990 г. ♦Норма
Общий белок (г/л) 32,9±1,5 28,8±1,1 28Д±1Д 30,3±1,8 34,5±0,4
Общие липиды (г/л) 3,44*0,24 3,20±0,39 4,5940,38 3,97±0,59 4,07±0,14
Холестерин (г/л) - 0,52±0,05 0,48±0,06 1,06±0,08 0,7±0,03
Гликоген печени (г/кг) 12,3±0,17 13,1±4,1 33,4±4 41,9±2,3 47,1±3,5
Р-липопротеиды (г/л) - 2,3±0,18 1,66±0,12 1,96±0,16 3,00±0,20
Гемоглобин (г/л) 86,2±2,82 69±2 49±3 68±3 65±1,б
Эритроциты (тыс. цп-Умм3) - 383±13 372±25 404±17 370±21
Лейкоциты (тыс. штУмм3) - 18Д±1,0 1б,4±1,1 54,2±5,35
Жирным шрифтом выделены статистически значимые отклонения от относительной кормы.
25% (1988 г.) содержания натрия (р<0,05) с последующим его снижением (8,59,4%), и подъём уровня кальция в 1,5-2,2 раза от величин 70-х годов (Наточин и др., 1975, 1995). В это же период отмечаются существенные изменения в морфологическом составе крови (табл. 2). При этом отмечалась нестабильность
Лейкоцитарная формула крови русского осетра (%)
Таблица 2
Годы Миелобл. Нейтрофилы Эоз. Мон. Лимф. ИСЛ
юные зрелые пат.
1988 28,6 16,5 8,8 невыд. 23,6 - 22,5 3,4
1989 19,5 8,6 6,1 1,8 26,2 - 37,8 1,64
1990 - 9,0 6,5 - 20,6 - 63,9 0,56
Норма* - 1,6 5,0 - 12,8 - 80,6 0,24
Примечание: Миелобл. - миелобласты, пат. - патологические, Эоз - эозинофилы, Лимф. • лимфоциты, ИСЛ - индекс сдвига лейкоцитов. * Норма: Сухопарова, Сухенко, 1986
функционирования интерреналовой железы: вначале повышение активности, с интенсивным синтезом кортизола (12,15±1,8 нг/мл), затем - напряжение и истощение, при снижении поступления в кровь кортизола до 2,3±0,7 нг/мл (Баранникова и др., 1989, 1990; Баранникова, 1992). В это время уменьшается секреция в кровь половых стероидных гормонов примерно в 3 раза (1989 г.). Выявленное снижение биохимических и гематологических параметров крови в дальнейшем (1990 г.) сменилось тенденцией к нормализации, однако в отношении интерреналовой железы и кортизола такого не отмечалось.
Сходные изменения были зарегистрированы и у других видов осетровых -севрюги и белуги, но с присущими для этих видов особенностями.
Изменения в физиологическом состоянии осетровых в море отразились и на производителях, мигрирующих на нерест. Они проявились в усилении имевшихся изменений в биохимических показателях и появлением новых, ранее не встречавшихся. Практически все исследуемые показатели претерпели изменения в ту или иную сторону, в сравнении с 60-70-ми годами прошлого века, что можно видеть на примере самок русского осетра (рис. 1).
Рис. 1. Межгодовая изменчивость физиолого-биохимических показателей у самок русского осетра
Также как и в море, у русского осетра, выловленного в дельте и под плотиной Волгоградской ГЭС, обнаружены аналогичные изменения в ионном составе крови: увеличение содержания кальция более чем в два раза у рыб, выловленных в дельте и в 1,6 раза под плотиной Волгоградской ГЭС (Кузьмина и др., 1992). Изменения в обмене веществ и минерального обмена сопровождались существенными колебаниями концентраций в крови кортикостероидных гормонов (Баранникова и др., 1989, 1990; Баранникова, 1992). Наиболее высокие концентрации в крови кортизола отмечались в весенние месяцы 1988 г., как у самок (48-40 нг/мл), так и у самцов (78-57 нг/мл) со снижением к июню до 16 нм/мл у тех и других. В дальнейшем имеет место относительная стабилизация его уровня с колебаниями в пределах 15-29 нг/мл. Примерно такая же динамика зафиксирована и в отношении половых гормонов прогестерона и тестостерона у самок и самцов. Похожая динамика отмечена и у эстрадиола. Негативным образом отразилось загрязнение среды обитания и на гематологических показателях производителей русского осетра, мигрирующего на нерест. Характер и направленность зафиксированных изменений (р<0,01) были схожими с таковыми в морской период жизни этих рыб с некоторым усилением. Наиболее рельефно они смотрелись у ослабленных производителей, подошедших к плотине Волгоградской ГЭС: СОЭ возрастало в 2 раза, при снижении в крови количества эритроцитов на 30%, в 1,6 раза лейкоцитов и 1,4 содержания гемоглобина, с трансформацией лейкоцитарной формулы. При этом индекс сдвига лейкоцитов возрастал в 4,6-5 раз от величин отмечаемых ранее. У самцов изменения гематологических параметров крови практически не отличались от самок. Не остаются неизменными в этих условиях и
функциональные свойства гемоглобина: сродство гемоглобина к кислороду увеличивается в 1,3, а величина эффекта Бора 3,3 раза (Камшилов, 1990). В красной крови, наряду с увеличением гемолиза эритроцитов, наблюдается усиление кроветворения. Пониженная устойчивость эритроцитов к гемолизу, подтверждается и данными по осмотической резистентности эритроцитов (ОРЭ) крови русского осетра (Васильев, 1990). Она в 1988 и 1989 гг. была в 1,71,6 раза меньше, чем в 60-х годах.
У севрюги и белуги развитие реакции на загрязнение водной среды принципиально не отличалось от таковой осетра, хотя имели свои особенности.
Трансформации в обмене веществ, гормональном статусе и в целом в физиологическом состоянии повлияли на состояние половых желез осетровых рыб, в которых, выявленные в конце 80-х годов изменения, были настолько существенны, что привели к нарушению половой функции (Гераскнн и др., 2001). Это не только большое разнообразие выявляемых патологий с появлением качественно новых форм, но и достаточно высокая частота встречаемости таких рыб. В море у рыб II СЗГ были обнаружены: гермафродитизм, интерсексуальность, опухоли, кисты и другие новообразования, отмечались сильные воспалительные процессы. В половых клетках изменения выявлялись, начиная с ооцитов протоплазматического роста. При переходе к вителлогенезу (П-Ш СЗГ) возрастает как частота встречаемости рыб с патологиями гамето- и гонадогенеза, так их разнообразие и степень.
Кроме того, морфофункциональные нарушения встречались в печени, почках, селезенке, сердце, скелетных мышцах. Наиболее значительными они были в неблагоприятные, с экологических позиций, годы (1988-1989). В печени отмечено повышенное содержание липидов и липофусцина, белковая и жировая дистрофия, нарушения пигментного обмена, сосудистые патологии, хроническая воспалительная инфильтрация паренхимы, некробиоз гепатоцитов, цирротические явления. А в структуре её ткани обнаружены включения: мышц, половых желёз и ооцитов, селезёнки и даже участки с разными типами (до 4) тканей. В почках имело место явление белковой дистрофии и хронического межуточного нефрита, в селезенке - в основном сосудистые нарушения. В сердце нарушения проявлялись изменениями в волокнах и гиперемией кровеносных сосудов, имелись также очаги некроза (Евгеньева, 2000). Наиболее явный характер носили изменения в поперечнополосатой мышечной ткани (ППТМ). Выявлялись участки с нормальным строением ППТМ, слабо, умеренно и сильно выраженными изменениями этой ткани. На последних этапах развития этого процесса зафиксировано также снижение активности АТФ-азы вплоть до полного исчезновения. При далеко зашедшем патологическом процессе в ультраструктуре мышц наблюдалось снижение
количества рибосом, исчезновение структуры аппарата Гольджи, полная деструкция митохондрий, фрагментация и набухание саркоплазматического ретикулума, изменение формы ядра (Басурманова, 1994). Конечной стадией разрушения мышечного волокна был полный лизис миофибрилл внутри волокна и разрушение сарколеммы. Впоследствии некротизированная мышечная ткань замещалась жировой или соединительной.
Морфологические изменения в мышцах сопровождались трансформацией их белкового состава проявлявшегося снижением количества выявляемых компонентов и изменением соотношения белковых фракций с большой, средней и низкой молекулярной массой (табл. 3). Наиболее существенные
Таблица 3
Фракционный состав водорастворимых белков белых мышц русского осетра (морской _период жизни) с разной степенью морфологических нарушений
Уровень патологии (баллы) Количество компонентов и их относительное содержание в белковых фракциях
ФНМБ ФСМБ ФВМБ Я
1-2 4(2-5) 7,5±0,8% 6 (4-7) 59,5±0,9% 7(5-8) 33,0±1,1% 17(12-19) 100,0%
3 2(1-4) 3,9±0,7% 4(2-7) 63,9±1,6% 6(5-7) 32,2±1,5% 13 П1-18) 100,0%
4 1 (1-2) 4,1±0,3% 3(2-5) 62,0±2,7% 5(4-5) 33,9±2,4% 9(7-13) 100,0%
5 1(1-3) 3,4±1,7% 414} 69,6±6,2% 3(4-3) 27,0±7,8% 8 (8-9) 100,0%
Примечание: в числителе количество компонентов, в скобках их размах колебаний, в знаменателе относительное содержание фракции в общем содержании белков мышц
изменения зафиксированы в белковом спектре мышц, имеющих высокую степень морфологических нарушений (Гераскин и др., 1990). По мере углубления мышечной патологии у осетра наблюдается нарастание белкового дефицита, снижение в крови холестерина, с тенденцией понижения у рыб старше 11 лет кортизола, при резко выраженной гиперкальцемии (Кузьмина и др., 1992; Наточин и др., 1995). У рыб с высокой степенью патологии мышц, выявлено также уменьшение (р<0,05) активности ЦО в печени более чем вдвое и увеличение в мышечной ткани в 2,6 раза, при почти неизменном уровне активности ЛДГ и СДГ. Активность ЛДГ в крови (67±11 мкмоль/мин-л) у таких рыб была в два раза выше, чем у особей с нормальными мышцами (35±5 мкмоль/мин-л). На уровне тенденции (на 20%) отмечено снижение активности АОА в печени, у рыб с нарушениями морфологической структуры мышц, что является результатом высокой интенсивности ПОЛ.
У севрюги четкой связи между биохимическими показателями рыб и глубиной морфологических изменений в мышцах не прослеживалось, за исключением активности ЦО и АОА в печени. Причины таких различий
кроятся в видовой специфике развития по времени и степени выраженности реакций организма севрюга в ответ на действие возмущающих факторов среды.
У белуги просматривалось некоторое углубление функциональных сдвигов у особей с дегенеративными изменениями мышечной ткани, как на уровне тенденций, так и подтверждаемые статистически.
Такое развитие реакции организма осетровых рыб на токсическое воздействие окружающей среды можно оценить как острый токсикоз -результат существенного повышения содержания в воде Северного Каспия нефтепродуктов, пестицидов и фенолов (Попова и др., 1992; Мумжу и др., 1989; Ежегодник ... за 1990 г.). При его снижении в 1990 г., наблюдается уменьшение уровня функциональных и гистоморфологических изменений.
4. Влияние различных уровней загрязнения Каспийского моря на физиологические системы осетровых рыб
Введение в комплекс показателей, характеризующих физиологическое состояние осетровых, изучение процессов ПОЛ, выявило их значительную изменчивость, которая проявляла определённую зависимость от содержания в
ХОП мкг/л X 10 Zn, Си, РЬ - левая; СМ, Мп -правая шкала
Рис. 2. Межгодовая динамика интенсивности АсПОЛ и СпПОЛ, содержания МДА в печени и мышцах русского осетра и загрязнения моря (по данным лаборатории водных проблем и токсикологии КаспНИРХ) органическими поллютаигами и некоторыми металлами Другая закономерность, связана с сезонными колебаниями содержания в воде нефтяных углеводородов - преимущественным снижением их содержания от летнего максимума к осени (Глумов, 2001), которая отражалась и на сезонной динамике ПОЛ (табл. 4). Интенсификация ПОЛ в печени и мышцах летом зафиксирована у всех исследованных видов осетровых. Она обусловлена выносом токсических веществ паводковыми водами в море и увеличением
температуры воды. Считается (Глумов, 2001), что основной объём (около 90%) загрязняющих веществ в Северный Каспий поступает с речным стоком, при сохранении примерного соотношения загрязняющих веществ.
Таблица 4
Параметры перекисного окисления липидов (М±т) мышц и печени русского осетра в разные _сезоны года за исследуемый период (1993-2003 гг.)_
Сезоны СпПОЛ мкмоль/ч кг АсПОЛ мкмоль/ч кг МДА мкмоль/кг
мышцы печень мышцы печень мышцы печень
Весна 28,2±4,0 75,4±6,2 113,6±7,6 108,2±8,8 6,2±1,0 10,6±0,8
Лето 42,6±3,4 136,8±9,2 133,0±5,4 184,2±П,4 8,8±0,8 21,4±1,6
Осень 24,2±2,0 95,8±7,2 111,2±4,4 142,0*10,2 4,6±0,4 16,0±1,2
Зависимость параметров ПОЛ русского осетра от уровня общего загрязнения вод Северного Каспия демонстрирует и регрессионный анализ. Коэффициент множественной корреляции в этом случае очень высок: от 0,84 до 1,00. Однако достоверными являются лишь регрессионные линейные уравнения зависимости скорости СпПОЛ (У|) в мышечной ткани и накопление в ней МДА (У2) от концентраций в воде исследованных токсикантов: У, = - 0,20Х! + 1,37Х2 + 0,416Х3 - 0,35X4 + 0,44X5-0,88X4 + 0,21X7 + 1.05Х, + 0,249X9 - 31,59; У2= -0,29Х, + 1,49Х2 + 044Х3 - 0,31X4 + 0,088Х5 - 0,98Х6 + 0,26Х7 + 1,07Х8 + 0,28Х, -7,64 соответственно, где Х1 - нефтеуглеводороды; Х2 - фенолы; Х3 - СПАВ; Х4 - ХОП; Х5 -Zn;X6- Си; Х7 - РЬ; Х8 - С(1; Х9 - Мп. В этом случае коэффициент множественной корреляции достигает 1,00, показывая прямую линейную зависимость этих параметров ПОЛ от уровня общего загрязнения водной среды. Более детальный анализ выявил достоверную корреляционную связь ПОЛ с содержанием в воде нефтеуглеводородов, фенолов, а также меди и кадмия при высоких коэффициентах корреляции: от 0,61 до 0,84. В случае множественной регрессии, коэффициент корреляции уровня ПОЛ с этим поллютантам достигает 0,84. Из этого следует, что основу негативного влияния загрязнений на русского осетра составляют нефтеуглеводороды, фенолы и кадмий, а также, в некоторой степени, медь.
Анализ в этом отношении параметров ПОЛ двух других видов осетровых дал результаты, свидетельствующие о видовых особенностях реакции этих рыб на загрязнение среды обитания. Однако и в этом случае во всех вариантах регрессионного анализа, достоверно отражающих влияние компонентного состава загрязнения, на первом месте присутствуют нефтеуглеводороды и лишь как дополнение к ним тяжелые металлы и один или два вещества органического происхождения. То есть уровень ПОЛ у осетровых рыб обуславливают не отдельные поллютанты, а их комплекс, индуцируя состояние окислительного стресса. Во всех вариантах множественной регрессии ведущим элементом модели являются нефтеуглеводороды, затем фенолы, а потом тяжёлые металлы.
Видовые особенности выражаются в проявлениях связи между параметрами ПОЛ и отдельными видами токсикантов или их сочетанием. Среди тяжёлых металлов выделяется кадмий, который, видимо, в сочетании с нефтеуглеводородами и фенолами увеличивает токсичность последних.
Реагирует на изменения загрязнения морских вод и энергетическая система осетровых. Её ответ проявляется изменениями активностей ключевых ферментов аэробного и анаэробного пути получения энергии в печени и мышцах - цитохромоксидазы (ЦО) и лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Из-за того, что активность этих ферментов определялась летом, то и уровень загрязнения в сравнительном анализе использовался за это время года. А он, как показано выше, зависит от объёма паводка. При больших паводках активность ЦО в печени снижалась, низких - увеличивалась (рис. 3). Другим доказательством
Рис. 3. Межгодовая динамика активности ЦО в печени (а) и соотношение (б) её активностей
в печени и мышцах у русского осетра в летний период при различных объёмах паводка влияния поллютантов на активность ЦО в печени является её уменьшение у особей осетра, выловленных в районах прямого действия волжского стока, более чем вдвое (р<0,05), в сравнении с рыбами, из других участков моря. Кроме того, изменяется также соотношение активностей ЦО в печени и мышцах (рис. 3). Если оно меньше единицы, то можно говорить о нарушении в распределении функциональных приоритетов ферментных систем, регулирующих аэробные и анаэробные процессы в энергетическом обмене печени и белых мышцах. Печени свойственна высокая активность ферментов аэробного обмена, а белым мышцам - анаэробного гликолиза (Щепкин, Эмеретли, 1985; Эмеретли, 1985; Иванов, 2003). При этом прослеживается видовая специфичность ответной реакции этого фермента в печени и мышцах на уровень загрязнений, вносимых паводковыми водами в Северный Каспий. У русского осетра она более замедлена, в сравнении с севрюгой и белугой.
Переходя к анализу динамик активности ЛДГ в печени и мышцах у осетровых рыб, необходимо отметить определённую их противофазность по отношению к динамике величины паводка (рис. 4) с проявлением видовой специфичности. У русского осетра такая закономерность проявлялась в большей степени в активности ЛДГ печени, но лишь до 2000 г., после которого характер динамики изменился. Однако, несмотря на видовые особенности, у
Рис. 4. Межгодовая динамика активности ЛДГ печени и мышц русского осетра в летний период при различных объёмах паводка всех исследованных видов осетровых выявляются общие закономерности. Успешное функционирование энергетической системы, зависит также и от работы дыхательной системы. Органом извлечения кислорода из водной среды у взрослых рыб являются жабры. Они чутко реагирует на присутствие в воде токсикантов. Гистологические исследования состояния жаберного эпителия у осетровых рыб, выловленных в море, выявили наличие различных форм нарушений, затрагивающих все отделы жаберного эпителия, независимо от пола, стадии зрелости и видовой принадлежности. При существенном увеличении как в 1996 г., содержания в морских водах меди, свинца и марганца, а также углеводородов, резко, до 51% выросла встречаемость рыб с тяжёлыми изменениями в жабрах при примерно 30% встречаемости в другие годы. Сильно повреждают жабры ионы цинка, который обладает синершческим действием в смеси с медью (Метелёв и др., 1971). Увеличение концентраций цинка и меди к 1999 г. также сказалось на состоянии жаберного эпителия - у 40% рыб изменения носили существенный характер. Кроме того, респираторный эпителий большинства рыб был разрыхлен, отмечалось его набухание и гиперплазия. В то время как до 1998 г., осетровым в море было характерно лишь разрастание эпителия филамента.
Таким образом, ведущим фактором в повреждении жабр выступает медь, токсичность которой может усиливаться цинком (синергический эффект), а так же совместным действием других металлов.
Другой компонент дыхательной системы рыб - гемоглобин, реагирует на загрязнение среды увеличением или снижением своего содержания в крови. У русского осетра оно синхронно следует за уровнем основных загрязнителей морских вод. У севрюги - в основном проявляется обратная зависимость. Такие различия связаны с разной стратегией адаптации организма осетра и севрюги и их этапностью к действию поллютантов. У осетра - повышением потребностей в окислительных процессах, у севрюги их торможением, наступающим в поздних фазах токсикоза. У белуги, картина реагирования гемоглобиновой системы схожа с таковой у севрюги, но с заметной инерционностью процессов.
Отклик регуляторно-гомеостатической функции на воздействие поллютантов рассматривался в свете изменений метаболизма, как регуляторно-компенсационных реакций. На воздействие чрезвычайных раздражителей, одним из первых реагирует углеводный обмен, который может быстро удовлетворить повышенные на этот момент потребности печени в энергии, что предусматривает расход гликогена. В иных случаях, когда гликоген не расходуется, как в 1991-1992 и 2000-2003 гг., организм рыб переходит на другую стратегию адаптации к действующим чрезвычайным факторам среды, используя в качестве энергетического субстрата другие вещества.
В качестве активного участника адаптационных процессов рассматривался также холестерин - основа стероидных гормонов, являющихся регуляторами обмена веществ в клетках. Содержание в крови холестерина реагирует на межгодовые изменения уровня поллютантов разнонаправленными по отношению к ним колебаниями, что наиболее выражено у русского осетра и севрюги. У белуги увеличение загрязнения каспийских вод не влекло за собой существенного снижения в крови холестерина, а сама динамика в гораздо большей степени, чем у осетра и севрюги, имела синхронность в отношении колебаний уровня загрязнения.
Бета-липопротеиды, представляющие собой транспортную форму липидов, переносят преимущественно холестерин и фосфолипиды. Севрюга, как наиболее реактивный вид, реагирует на повышенную загрязнённость вначале постепенным повышением содержания (З-липопротеидов в крови, а затем резким снижением с поддержанием этого небольшого уровня в последующие годы. Те же процессы имеют место и у осетра, но без срывов на более низкий уровень. Белуга занимает промежуточное положение с чётко обозначенной реакцией изменения р-липопротеидов на динамику загрязнённости морских вод нефтеуглеводородами и фенолами.
Реакция белкового обмена осетровых на изменения уровня загрязнений в водной среде рассматривалась исходя из трёх показателей: содержания общего белка в крови, водорастворимого белка мышц и коэффициента, характеризующего уровень повреждения мышечных волокон, рассчитываемого как соотношение активностей ЛДГ в сыворотке крови и мышцах. Она представляет собой достаточно сложные взаимоотношения между деградацией мышечных волокон, белками мышц и крови и метаболической активностью печени. Прямой связи между межгодовыми изменениями уровня загрязнённости морских вод и содержанием в крови белков у русского осетра не прослеживается (рис. 5). Однако существенное повышение суммарного НУ+фенолы загрязнения как 1992 и 1998 гг. (10-12 ПДК) влечёт за собой снижение содержания белков в крови, как и длительный по времени (1994-
Г 14
1 70 60 50 40 30 20 10 >* Л ш, _ . . Л.. - 1 12 10 ' * £ 6 * • 4 • 2
1992 1993 1994 1995 1996 19971998 1999 2000 20012002 2003
годы
- бгпок- м ---ОСБ — -*- • £ПДК НУ+Феи
Рис. 5. Межгодовая динамика содержания в крови русского осетра общего сывороточного белка (ОСБ), водорастворимого белка мышц и коэффициента лизиса мышечных волокон
1996 гг.) повышенный (6-8 ПДК) их уровень. При этом просматривается сопряжённость между уровнем водорастворимых белков мышц и содержанием в крови белков: увеличение первых сопровождается повышением вторых, при росте коэффициент лизиса, свидетельствующего об усилении разрушения мышечных волокон. По-другому реагирует белковая система рыб во второй половине периода исследований. У севрюги реакция на увеличение уровня загрязнённости морской воды нефтеуглеводородами и фенолами проявляется уменьшением содержания белка в крови, при не чётко выраженной реакции водорастворимых белков и коэффициента лизиса мышечных волокон. У белуги просматривается тенденция повышения содержания белков в крови при увеличении загрязнённости морских вод этими поллютантами и сопряжённости межгодовых изменений коэффициента лизиса мышечных волокон и водорастворимого белка в пределах всего исследованного периода. Такая неоднозначность отклика белкового обмена на изменения воздействий на организм основных загрязняющих веществ диктуется различиями стратегий адаптационных возможностей исследуемых видов рыб и связана с особенностями этих воздействий (длительность, интенсивность) как в предшествующие годы, так и в анализируемый период.
Из систем организма рыб, осуществляющих защитные функции, исследовались две: антиоксидантная и иммунная. У всех исследованных видов осетровых рыб АОА в общих чертах соответствовала межгодовым колебаниям интенсивности ПОЛ в мышцах и печени и динамике уровня загрязнения морских вод. Однако в ряде случаев имело место несовпадение подъёма АОА и увеличения ПОЛ в этих тканях. В целом отмечается некоторое угнетение АОА при интенсивном и длительном воздействии на организм рыб поллютантов.
Другая система, выполняющая защитные функции, представлена иммунитетом. Исследование ЕИФ, характеризующего состояние иммунного статуса выявило у осетровых рыб наличие вторичного иммунодефицита: наибольший - у севрюги, наименьший - у белуги. Русский осётр занимал в этом
отношении промежуточное положение. Несмотря на некоторые различия, у всех видов он оценивался как умеренный.
Таким образом, функционирование рассмотренных физиологических систем трансформируется в зависимости от силы и длительности воздействия и участия их в адаптационно-компенсационных процессах.
5. Формирование реакций организма осетровых рыб на загрязнение их среды обитания
В природной среде трудно зафиксировать не только начальные стадии интоксикационного процесса, но и его развитие. Однако, наряду с тщательным анализом данных, применение математических методов дает такую возможность. Детальный анализ исследованных показателей у осетровых рыб позволил выявить четыре периода, имеющих свои особенности отклика организма на загрязнение водной среды (табл. 5). Хотя, в целом, они
Таблица 5
Периоды в исследовании осетровых рыб, различающиеся ответными реакциями на
воздействие загрязнений вод Каспийского моря
ПЕРИОДЫ
I 1 половина 80-х II 2 половина 80-х III 1991-1999 IV 2000-2003
НАРО - стойкая активация Прямое воздействие пестицидов на гонады Стресс-реакция. Фазы: тревоги, резистентности (сопротивляемости) истощения (метаболической депрессии). Прямое воздействие пестицидов на гонады Хроническая фаза: ухудшение, улучшение физиологического состояния Фаза неустойчивого функционального равновесия
Мобилизация энергоресурсов -нейтрализация и вывод из организма ксенобиотиков. Замедление темпов формирования гемоглобиновой системы, развития половых желёз. Эстрогенный эффект пестицидов -гормональные изменения. Нарушения: генеративного метаболизма; морфофункциональные гонад и ооцитов Углубление изменений в метаболических процессах вовлечение в адаптивный процесс других физиологических систем. Заканчиваются море: гипометаболическое состояние. река - истощение и гибель Результирующая: наибольшее разнообразие и глубина нарушений в морфофункциональном состоянии тканей мышц, печени и гонад (в т.ч. эстрогенного эффекта пестицидов) Снижение уровня патологичности мышц и гонад, стабилизация -в печени, некоторое ослабление защитно-приспособительных функций. Слабая гипоксия из-за снижения активности ЦО. Компенсируется активизацией ЛДГ и ЦО в мышцах, ЛДГ в печени частичное восстановление некоторых физиологических систем Постепенное восстановление антиоксидантной системы, увеличение аэробной составляющей в энергетике печени, умеренный вторичный иммунодефицит. Использование мышечного белка для энергетических нужд, повышение антиоксидантной активности, глюконеогенез с увеличением гликогена печени.
укладывались в концепцию общих неспецифических адаптационных реакций организма (НАРО) животных (Гаркави и др., 1990). Кроме того, с помощью кластерного анализа у русского осетра были выявлены 12 групп рыб,
отражающих последовательность реакции организма на разные уровни и длительность воздействия поллютантов, среди которых особи, не испытывающие воздействие загрязнения. У них низкие величины параметров ПОЛ, на фоне высокой АОА, сдерживающий этот процесс в рамках физиологической целесообразности. Активности ЦО и ЛДГ сбалансированы и соответствовали особенностям функционирования энергетической системы печени и мышц, при достаточно высокой их активности. Ответ на невысокий уровень раздражающего фактора соответствовал различным фазам реакции спокойной (первичной) активации по классификации НАРО: рост антиоксидантной активности в печени и мышцах, усиление использования гликогена печени на энергетические нужды, при главенствующей роли аэробного обмена. Такие изменения у рыб можно расценивать как небольшая стимуляция обменных процессов, переходящая затем, в более выраженные изменения. Более высокий их уровень вызывал по классификации НАРО -реакции повышенной активации, проявившейся мобилизацией всех ресурсов организма (повышение Хл, НЬ, ЦО, ЛДГ, снижение Гл печени, ОБ крови и ВРБ мышц). На увеличение длительности такой силы воздействия организм реагирует небольшим повышением АОА, большим снижением энергетического обмена в печени, в сравнении с мышцами, с уменьшением поступления кислорода и интенсивном использовании гликогена печени. Ответ физиологических систем осетра на дальнейший рост загрязнения моря проявляется как стресс-реакция, которая развивается в том же направлении, как и при меньших уровнях загрязнения. Стратегия организма в этот момент направлена на получение энергии любым путём, в короткие сроки из всех возможных источников: углеводов, белков, липидов и представляет собой реакцию тревоги, переходящая в стадию резистентности, а затем, в классическом представлении, истощения. Однако в природных условиях организм осетровых переключался на минимизацию метаболизма, о чём свидетельствует обеспечение энергией в основном анаэробным путём. При этом отмечается восстановление уровня гликогена в печени и высокий уровень ВРБ в мышцах, что в совокупности с тенденцией к нормализации показателей крови, дает основание говорить не об истощении, а о переходе в гипометаболическое состояние. У рыб, испытывающих сильный и сверхсильный стресс, очень высокие показатели ПОЛ, при низкой АОА, с мобилизацией срочного получения из всех источников и разными путями энергии, которая в большей степени генерировалась в мышцах, а не в печени. Описанные выше основные адаптивные реакции организма осетровых, нашли свое отражение в схеме (рис. 6), которая представляет предполагаемый
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНОЙ СРЕДЫ
детоксикационная трансформация ксенобиотиков
(аутоокисление, монооксигеназные реакции и т.д.)
НИ V
ГЕНЕРАЦИЯ
АФК
система АОЗ
н:
уровень ПОЛ
АФК- активные формы кислорода АОЗ - антиоксидантная защита ПОЛ - перекисное окисление липидов ЦО - цитохромоксидаза ЛДГ - лактатдегидрогеназа АТФ - аденозинтрифосфат НЬ - гемоглобин
РЕЦЕПТОРЫЙ АППАРАТ БИОМЕМБРАНН
ВЕГЕТАТИВНАЯ НЕРВНАЯ СИСТЕМА
ОТДЕЛЫ МОЗГА
ГИПОТАЛАМУС
ГИПОФИЗ
---
хромофинная интерреналовая
ткань железа
♦
катехоламины кортикостероиды
увеличение ПЬ
активизация ЦО
усиление сердцебиения, вентиляции жаьр
г
усиление дыхательной функции
АКТИВИЗАЦИЯ ЛДГ
гликогенолиз
белки крови и мышц
МОБИЛИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ
преимущественное образование атф
АЭРОБНЫМ ПУТЁМ
интенсификация образование атф
АНАЭРОБНЫМ ПУТЁМ
Рис. 6. Предполагаемый механизм первой фазы НАРО на загрязнение среды обитания осетровых рыб
механизм первой фазы НАРО на загрязнение водной среды - процесс срочного получения энергии, при балансе ПОЛ и АО А.
Дальнейшее развитие реакций организма на загрязнение воды сопровождается ростом интенсивности ПОЛ при снижении АОА и перестройкой энергетического обмена с усилением анаэробного пути получения энергии, вследствие снижения активности ЦО. Считается (Кожевников, 1985; Балаболкин, 2000), что ингибиторами ЦО являются активные радикалы и в частности оксид азота (Xie et al, 1996; Balakirev et al., 1997), который способен конкурентно связываться с этим ферментом (Bates et al., 1996). Ингибирование цитохромоксидазы, отмечаемое у осетровых рыб, с увеличением интенсивности ПОЛ и снижении АОА, по всей видимости, имеет тот же механизм. Как видно из рисунка 7 активность цитохромоксидазы с увеличением интенсивности перекисных процессов возрастает лишь при небольших уровнях ПОЛ, а затем начинает снижаться до минимальных значений.
Рис. 7. Регрессионная модель активности цитохромоксидазы от уровня АсПОЛ
Такая динамика отношений параметров ПОЛ и активности ЦО предполагает фазность функционирования этого фермента: до нарушения баланса между образованием и инактивацией продуктов ПОЛ антиоксидантами и после. Как только нарушается баланс между образованием и нейтрализацией продуктов ПОЛ антиоксидантами, стрессорная реакция переходит в новую фазу, где стратегия адаптации к сильному, либо длительно действующему или часто повторяющему фактору существенно изменяется (рис. 8). Она направлена на снижение образования свободных радикалов и подавления их активности, при понижении метаболизма до предельно низкого уровня. Реализуется за счёт получения энергии преимущественно бескислородным путём (снижение доступа кислорода к клеткам), а также восстановления антиоксидантной активности. Одним из основных путей возможной компенсации недостатка АТФ в условиях эндогенной гипоксии, вызванной окислительным стрессом, является эволюционно закрепленное у осетровых рыб получение энергии из мышечных белков во время нерестовой миграции (при переходе на эндогенное
Рис. 8. Предполагаемый механизм второй фазы НАРО на загрязнение среды обитания осетровых рыб
питание). В процессе анаэробного катаболизма белков (Шульман и др., 1993) освобождается достаточное количество энергии для ресинтеза АТФ, что позволяет осетровым выживать при гипометаболическом состоянии. В деградации миофибрилярных белков до аминокислот, наряду с кальпаинами участвуют и катепсины (Немова, 1992), при возможном участии и других протеолетических ферментов. Тем самым создаются условия для усиления антиокислительной защиты, за счет аминокислот и образования глутатиона, предотвращая дальнейшее развитие окислительного стресса под воздействием ксенобиотиков, что подтверждается экспериментами на теплокровных животных (Штаркман, 2008; Кулинский, Колесниченко, 1990).
Таким образом, можно говорить, что деструктивные изменения или иначе «расслоение» мышц у осетровых рыб обусловлены тканевой или точнее гепатотоксической гипоксией (Гераскин, 1989). Это подтверждается как прямыми опытами с токсикантами на молоди русского осетра и белуги (Алтуфьев и др., 1989; Алтуфьев, 1994), так и более поздними публикациями (Евгеньева, Семёнова, 2000; Ланге, Кловач, 2002; Зайцева, 2002; Алтуфьев, Гераскин, 2003). Одним из признаков токсического поражения печени является жировая инфильтрация переходящая в жировую дистрофию (Лейтес, Лаптева, 1967; Логинов, Аруин, 1985), что отмечалось у каспийских осетровых в 19871988 гг.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Реакция осетровых на загрязнение токсичными для рыб веществами, зависит от силы и длительности их действия и проявляется в последовательном вовлечении в адаптационный процесс необходимых для этого функциональных систем. В условиях естественной среды, развитие токсического процесса протекает одновременно с мобилизацией адаптивных реакций к действующему фактору, которые обладают более выраженным эффектом.
В основе функциональных преобразований, происходящих в организме рыб под действием загрязнений и реализации детоксикационной функции, лежат два базовых процесса - баланс прооксидантов и антиоксидантов и удовлетворение всеми возможными путями повышенных потребностей на данный момент в энергии. При низких и умеренных уровнях загрязнений среды и небольшой длительности их действия, антиоксидантная система способна гасить активность свободных радикалов, появляющихся при действии ксенобиотиков, а уровень отклика соответствует по классификации НАРО этапам спокойной и повышенной активации. На этих этапах отмечается нарастание активности метаболизма, направленного на получение быстрого и максимального количества энергии. Главную роль в обеспечении организма энергией в это время играет аэробное окисление, несмотря на увеличение
анаэробного. Невысокий уровень загрязнения среды, но при большой длительности их действия, приводит к уменьшению АОА и постепенному снижению роли аэробного обмена и повышении анаэробного в получении АТФ. В условиях умеренной и высокой силы, роль печени в обеспечении энергией организма снижается, а мышц - повышается. При этом проявляются видовые особенности, связанные с различной реактивностью рыб. При значительном уровне или длительности воздействия на рыб токсикантов реакция организма осетровых развивается как стресс-реакция, со всеми свойственными для неё фазами, и заканчивается гапометаболическим состоянием. В этом случае отмечается истощение АОА и нарушение баланса прооксиданты : антиокисданты в пользу первых, уменьшение аэробной составляющей в получении энергии организмом, из-за снижения активности цитохромоксидазы, ингибируемой, по всей видимости, радикалами нитрооксида. Изменяется и стратегия адаптивных реакций, которая направлена на снижение образования свободных радикалов и подавления их активности, при понижении метаболической функции до предельно низкого уровня. Она реализуется за счёт получения энергии преимущественно бескислородным путём (снижение доступа кислорода к клеткам), при анаэробном окислении продуктов деградации мышечных белков, а также увеличения антиоксидантной активности, которой обладают некоторые аминокислоты и трипептид глутатион. Механизм повреждения клеток универсален и сводится при интенсификации ПОЛ к повреждениям липидного биослоя мембран органоидов и клеток, сопровождающихся нарушением митохондриального окисления и каскадом метаболических нарушений в форме тканевой гипоксии, ацидоза, увеличения Са2+, активизацией гидролитических ферментов, деградацией метаболизма и гибелью клетки. На макроскопическом уровне эти процессы проявляются некрозом ткани и развитием фиброза и заменой на жировую в печени и деструкцией волокон мышц.
В целом изменения, выявляемые в организме осетровых рыб, при загрязнении окружающей среды соответствуют признакам гепатотоксической гипоксии, одной из форм тканевой гипоксии, представляющей собой токсическое поражение печени, при снижении поступления в гепатоциты кислорода из-за ингибирования активности цитохромоксидазы. Одним из признаков токсического поражения печения является жировая инфильтрация, переходящая в жировую дистрофию, отмечаемая у осетровых рыб.
Не менее существенными являются последствия ухудшения физиологического состояния осетровых, выражающиеся в снижении темпа роста и воспроизводительного потенциала, связанного с удлинением времени вступления в репродукционную стадию и межнерестовых периодов, а также
патологических изменений, сопровождающие гонадо- и гаметогенез осетровых, что подтверждается данными ихтиологических исследований (Журавлёва, 2005) констатирующих снижение темпа роста и индивидуальной плодовитости. Особую тревогу вызывает уменьшение плодовитости связанное с нарушениями в половых железах и, особенно, замена генеративной ткани на жировую или соединительнотканную. Такой же процесс выявлен и у самцов. Снижению воспроизводительного потенциала способствуют и другие формы патологий ооцитов. Они проявляются: не оплодотворением икры, гибели её в процессе эмбриогенеза, а также повышенной элиминации на ранних этапах развития и снижения резистентности молоди к экстремальным факторам внешней среды (Лагунова, 1997; Лепилина, Шевелева, 1997; Шагаева и др., 1989). На данном этапе последствия изменений в физиологическом состоянии осетровых рыб пока лишь ограничивают биопродуктивность этого семейства. Однако дальнейшее развитие этого процесса может привести к критическому состоянию, в понимании С.А. Шиловой и М.И. Шатуновского (2005), обитающих в Каспийском море популяций осетровых рыб при превышении порога устойчивости рыб к повреждающим факторам внешней среды.
ВЫВОДЫ
1. Начальные признаки реакции организма осетровых рыб на загрязнение водной среды в большей мере проявляются у самок в наиболее чувствительный для них преднерестовый период нарушением вителлогенеза, истощением плохо подготовленных к нересту рыб и морфофункциональными отклонениями в развитии ооцитов. В морской период жизни - на уровне более тонких функциональных изменений, связанных с работой энергетической системы. У молодых особей - задержкой в развитии и становлении отдельных функций.
2. Развитие реакции организма осетровых на нарастание антропогенного воздействия характеризуется углублением изменений в физиолого-биохимических показателях и гистоморфологических структурах внутренних органов как в периоды физиологически спокойного состояния (II СЗГ) разновозрастных особей нагуливающихся в море, так и репродуктивной активности (Ш-1У СЗГ) связанной с созреванием гонад. Оно выразилось существенными изменениями в энергетическом и водно-солевом обменах, обмене веществ, нарушениями в морфофункциональном состоянии печени, мышечной ткани и гонад и соответствовали в своей основе картине развития тканевой или точнее гепатотоксической гипоксии. Интегральным выражением этих изменений стал феномен «расслоения» мышечной ткани.
3. Развитие токсического процесса у осетровых в природных условиях сопровождается рядом неспецифических адаптивных реакций к загрязнению
среды обитания при их высокой выраженности, вследствие чего действие загрязняющих веществ в различном сочетании вызывают однотипные реакции организма. Установлено прямое влияние (г=1) уровня общего загрязнения вод Северного Каспия, на интенсивность перекисного окисления липидов у осетровых рыб, описываемое уравнениями множественной регрессии.
4. Обнаруженные различия в реакциях исследованных физиологических систем, на воздействие токсических веществ в рассматриваемые годы, дают основание выделить четыре периода, имеющих свои особенности отклика на эти воздействия. Первому характерны признаки стойкой (повышенной) активации согласно общей теории адаптивных реакций. Второму - острого отравления и развития стресс-реакции во всех трёх её стадиях. Третий этап -переход к хронической фазе. Четвертому - характерен хронический токсикоз с переходом на иную, чем в третьем, стратегию адаптационно-компенцационных реакций.
5. Выявленные функциональные изменения у осетровых рыб представляют собой комплекс неспецифичных реакций адаптаций, степень вовлечённости в которые физиологических систем зависит от силы и длительности воздействия на рыб токсичных для них веществ и представлены по классификации НАРО от стадий спокойной (первичной) и стойкой (повышенной) активации до стресс-реакции, заканчивающейся чаще всего метаболической депрессией.
6. В основе изменений физиологического статуса осетровых рыб, под влиянием загрязняющих веществ и их детоксикации, лежат: гормональная перестройка, процессы срочного получения энергии всеми возможными путями в объемах удовлетворяющих потребности организма на данный момент и динамика баланса проокиданты : антиоксиданты.
7. Выявлена ингибирующая роль свободных радикалов в подавлении активности цитохромоксидазы и корреляционная зависимость её активности, описываемая уравнением оптимума, от интенсивности перекисных процессов. При их увеличении роль аэробного обмена в получении организмом энергии, связанного с эффективностью функционирования дыхательной цепи митохондрий, снижается, а анаэробного гликолиза повышается, с развитием тканевой гипоксии.
8. Рост активации свободнорадикального окисления вызывает повреждения мембран клеток и органелл, сопровождаемые каскадом метаболических изменений, приводящих к некрозу клеток печени, лизису мышечных волокон, деградации соединительной ткани и мышечных белков. Лизис мышечного волокна и прежде всего миофибрилл, представляет собой адаптационно-компенсационный процесс, в результате которого белки мышц
распадаются до аминокислот, используемые организмом для получения энергии в анаэробных условиях, усиления антиокислительной защиты и предотвращения дальнейшего развития окислительного стресса, под воздействием ксенобиотиков. В конечном счёте, этот процесс позволяет организму выжить в создавшейся на данный момент экологической обстановке.
Список основных работ опубликованных по теме диссертации В рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Лукьяненко, В.И. Экологические особенности гемоглобинограмм трёх видов осетров / Лукьяненко В.И., Гераскин П.П., Баль Н.В. // Ж. эвол. биохим. и физиол. - 1978. - Т. 14, № 4. - С. 347-350.
2. Шелухин, Г.К. Влияние температурно-солевого режима каспийской воды на молодь русского осетра (.Acipenser guldenstadti) / Г.К. Шелухин, Г.Ф. Металлов, П.П. Гераскин // Вопр. ихт. - 1990. - Т.30, вып. 2. - С. 296-304.
3. Гераскип, П.П. Рыба и нефть Каспийского моря / П.П. Гераскин, Д.Н. Катунин // Рыб. хоз. - 1996. - № 4. - С. 46-47.
4. Гераскин, П.П. Физиолого-биохимические и морфофизиологические исследования осетровых / П.П. Гераскин, Ю.В. Алтуфьев, П.К. Шелухин, Г.Ф. Металлов, // Рыб. хоз. - 1997. №5 - С. 28-29.
5. Металлов, Г.Ф. Динамика активности ферментов аэробного и анаэробного окисления в тканях русского осетра (Acipenser guldenstadti Brand) в современных экологических условиях Волго-Каспия / Г.Ф. Металлов, В.П. Аксенов, В.П. Осипова, П.П. Гераскин // Ток. вес. - 1998. - № 6 - С. 24-28.
6. Metallow, G.F. Some aspects of sturgeon (Acipenseridac.) hybrid physiology / G.F. Metallow, P.P. Geraskin, V.P. Aksenov // J. of Ap. Icht. - 1999. - Vol. 15 (45), 1-352.-P. 292-293.
7. Geraskin, P.P. Specific functional features of sexual maturation and quality of sevruga (Acipenser stellatus P.) females / P.P. Geraskin, G.K. Shelukhin, G.F. Metallow, V.P. Aksenov // J. of App. Icht. - 1999. - Vol. 15 (4-5), 1-352. - P. 339-340.
8. Металлов, Г.Ф., Лаврова E.A., Аксенов В.П., Гераскнн П.П. Физиологическая гетерогенность и ионный гомеостаз жидкостей внутренней среды севрюги / Г.Ф. Металлов, Е.А. Лаврова, В.П. Аксенов, П.П. Гераскин // Токе. вест. - 1999 - № 1. - С. 27-31.
9. Баранникова, И.А. Содержание половых стероидных гомонов в сыворотке крови осетровых (Acipenseridae) в морской период жизни при различном состоянии половых желёз / И.А. Баранникова, Л.В. Баюнова, П.П. Гераскин, Т.Б. Семенкова // Вопр. ихт. - 2000. - Т. 40, Лг°2. - С. 269-274.
10. Алтуфьев, Ю.В. Мониторинг морфофункционального состояния мышечной ткани осетровых и костистых рыб Каспия / Ю.В. Алтуфьев, П.П. Гераскин // Пробл. регион, экологии. - 2003. - № 6. - С. 111-124.
11. Металлов, Г.Ф. Физиолого-биохимические показатели русского осетра при современном состоянии экосистемы Волго-Каспия / Г.Ф. Металлов, П.П. Гераскин, В.П. Аксёнов, A.B. Шигапова, Т.А. Синицина, Г.Ш. Искакова// Естественные науки - 2005. - №2 (11). - С. 48-52.
12. Гераскин, П.П. Влияние загрязнений Каспийского моря на физиологическое состояние осетровых рыб / П.П. Гераскин // Изв. Самар. науч. центра РАН - 2006. - Т.8, № 1 - С. 273-282.
13. Гераскин, П.П. Физиологические и популяционно-генетические исследования каспийских рыб / П.П. Гераскин, Г.Ф. Металлов, Ю.Н. Переварюха, В.П. Аксёнов, A.B. Дубовская // Рыб. хоз. - 2007. - № 3. - С. 66-68.
14. Гераскин, П.П. Использование биологических индикаторов для оценки загрязненности морской среды в районах расположения ликвидированных поисково-разведочных скважин / П.П. Гераскин, Г.Ф. Металлов, В.П. Аксенов, A.B. Дубовская, Д.Р. Файзулина, M.JI. Галактионова // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе - 2009. -№ 9. - С. 55-59.
15. Гераскин П.П., Влияние загрязнения Северного Каспия на интенсивность перекисного окисления липидов и активность цитохромоксидазы печени и мышц осетровых рыб / П.П. Гераскин, Г.Ф. Металлов, В.П. Аксенов, M.JI. Галактионова // Вест. АГТУ. Рыбное хозяйство. - 2010. - № 2. - С. 88-98.
16. Гераскин, П.П. Нефтяное загрязнение Каспийского моря как один из факторов инициирования оксидативного стресса у осетровых рыб // П.П. Гераскин, Е.Н.Пономарёва, Г.Ф.Металлов, М.Л.Галактионова // Изв. Самар. науч. центра РАН - 2012 - Т.14, № 1 (10) - С. 2658-2665
В коллективных монографиях:
17. Лукьяненко, В.И. Гетерогенность и полиморфизм гемоглобина рыб: Динамика формирования фракционного состава гемоглобина в раннем онтогенезе / В.И. Лукьяненко, П.П. Гераскин, А.Б. Захаров. - С-Пб.: Наука, 1991.-С. 216-268.
18. Научные основы регионального распределения промысловых объектов Каспийского моря: Основные критерии распределения промысловых объектов // Р.П. Ходоревская А.Д. Власенко, ... П.П. Гераскин и др. -Астрахань: Изд-во КаспНИРХ, 1992. - С. 43-61, 98-107.
19. Научные основы устойчивого рыболовства и регионального распределения промысловых объектов Каспийского моря: Осетровые рыбы / А.Д. Власенко, ..., П.П. Гераскин [под ред. В.Н. Беляевой, В.П. Иванова, В.К. Зиланова] - М.: Изд-во ВНИРО, 1998,- С. 62-83.
20. Экологические мониторинговые исследования на лицензионном участке «Северный» ООО «Лукойл-Нижневолжскнефть» (1997-2006 гг.): Экология, распределение и запасы рыб и нерыбных объектов, их качественное состояние и трофология (Физиологическое состояние осетровых рыб) / П.П. Гераскин, Г.Ф. Металлов, Ю.Н. Переварюха, В.П. Аксёнов, A.B. Дубовская, М.Л. Галактионова, H.H. Шевелёва [под ред. Г.А. Судакова, Д.Н. Катунина, Р.П. Ходоревской] - Астрахань: изд-во КаспНИРХ, 2007. - С. 147-152.
21. Металлов, Г.Ф. Физиолого-биохимические механизмы эколого-адаптационной пластичности осморегулирующей системы осетровых рыб / Г.Ф. Металлов, C.B. Пономарёв, П.П. Гераскин, В.П. Аксёнов - Астрахань. -Изд-во АГТУ. - 2010. - 192 с.
Публикации в других изданиях:
22. Гераскин, П.П. Физиолого-биохимическая характеристика самок севрюги, используемых для искусственного воспроизводства / П.П. Гераскин, Г.Ф. Металлов, В.П. Аксенов // Ос. хоз. вод. СССР. - Астрахань, 1984. - С.81-83.
23. Мишин Э.А., Гераскин П.П. Темпы формирования фракционного состава гемоглобина молоди белуги в современных экологических условиях // Форм, запас, в усл. компл. испол. вод. ресурсов,- Астрахань, 1986. - С. 221-222.
24. Гераскин, П.П. Нарушение обмена веществ у русского осетра в современных условиях Волго-Каспия / П.П. Гераскин // Ос. хоз. вод. СССР. -Астрахань, 1989. - С. 60-62.
25. Алтуфьев, Ю.В. Гистофизиологический и токсикологический аспекты проявления миопатии волго-каспийского осетра / Ю.В. Алтуфьев, П.П. Гераскин, В.А. Мумжу// Экол. физ. и биох. рыб. - Ярославль, 1989. - С 4-5.
26. Гераскин, П.П. Сравнительная характеристика фракционных составов белков сыворотки крови, мышц и ооцитов русского осетра в норме и при морфологических изменениях в мышцах и ооцитах / П.П. Гераскин, Н.В. Баль, Э.А. Мишин // Физ.-биох. статус волго-касп. осетр, в норме и при рассл. мыш. ткани. - Рыбинск: изд-во ИБВВ АН СССР - 1990. - С. 201-207.
27. Металлов, Г.Ф. Физиолого-биохимическая оценка состояния русского осетра в современных условиях Волго-Каспия / Г.Ф. Металлов, П.П. Гераскин, Г.К. Шелухин, В.П. Аксенов // Физ.-биох. статус волго-касп. осетр, в норме и при рассл. мыш. ткани.-Рыбинск: изд-во ИБВВ АН СССР - 1990. - С. 181-187.
28. Гераскин, П.П. Задачи и принципы мониторинга физиологического состояния каспийских осетровых в условиях антропогенного пресса / П.П. Гераскин // Экое, морей России в усл. антроп. пресса (включая промысел). -Астрахань, 1994. - С. 69-71.
29. Гераскин, П.П. Оценка физиологического состояния и репродуктивной системы осетровых в условиях загрязнения Каспийского моря и р. Волги / П.П. Гераскин, Ю.В. Алтуфьев, Г.Ф. Металлов, Г.К. Шелухин, A.A. Романов, Г.Ф. Кудрявцева, H.H. Шевелева, В.П. Аксенов, M.JI. Галактионова И Биол. ресурсы Касп. моря и пути рац. их испол. - Астрахань, 1994. - С. 10-16.
30. Гераскин, П.П. Процессы перекисного окисления липидов и антиоксидантная активность печени и мышц самок русского осетра в условиях загрязнения Северного Каспия / П.П. Гераскин, Мижуева М.В., Галактионова M.JL // Экое, морей России в усл. антроп. пресса (включая промысел). -Астрахань, 1994. - С.71-73.
31. Geraskiii P.P. Sturgeon (.Acipenseridae) responses to new ecological conditions in the Caspian Sea / P.P. Geraskin // International symposium on stugerons. Proceedings. (Moscow-Kostroma, 6-11 September 1993,). - Moscow, Russia. M.: VNIRO Publishing, 1995. - P. 173-177.
32. Гераскин, П.П. Методологические аспекты эколого-биохимических исследований осетровых в условиях нарастающего загрязнения Каспийского моря / П.П. Гераскин // Экол. физ. и биох. ос. рыб. - Ярославль, 1997. - С.23-24.
33. Металлов, Г.Ф. Физиолого-биохимические аспекты оценки рыбоводного «качества» самок севрюги Acipenser stellatus (Pall.) / Г.Ф. Металлов, П.П. Гераскин, В.П. Аксёнов // Рыб. хоз., серия Аквакультура -М.: изд-во ВНИЭРХ- 1997, Вып.7. - С.4-14.
34. Metallov, G.F. So me aspects of sturgeon (Acipenseridae) hybrid physiology / G.F. Metallov, P.P. Geraskin, V.P. Aksenov // 3 International symposium on sturgeon (Piacennza, Italy, Jyly. - 8-11,1997).
35. Гераскин, П.П. Мониторинг физиологического состояния осетровых в условиях загрязнения Каспия и р. Волги / Гераскин П.П. и др. // Рыбохоз. исслед. на Каспии. - Астрахань, 1999. - С.173-188.
36. Катунин, Д.Н. Современное углеводородное загрязнение Каспийского моря и возможные последствия для экосистемы при широкомасштабном развертывании нефтедобычи на шельфе / Д.Н. Катунин, П.П. Гераскин, Т.Ф. Курочкина, Б.Л. Костров, В.В. Андреев // Вест. МАНЭБ. - С.-Пб. - 1999. - № 9 (21)-С. 33-39.
37. Гераскин, П.П. Современное физиологическое состояние каспийских осетровых / П.П. Гераскин, и др. // Рыбов. и рыболов. - 2001. - № 1. - С. 48-52. (на русском и английском).
38. Карпюк, М.И. Патоморфогенез нарушений в органах каспийских осетровых / М.И. Карпюк, Г.Ф. Журавлева, П.П. Гераскин // Усп. совр. естествознания. - 2005. - № 12 - С. 79-79.
39. Metallov, G.F. Physiological state of Caspian sturgeons Acipenseridae / Metallov G.F., Geraskin P.P., Aksenov V.P., Galaktionova М.1., Faizulina D.R // Bo Abstr. Oral Presentations 6th Internat. Symposium on Sturgeon (Wuhan, Hubei province, China, October 25-31,2009).
40. Geraskin, P.P. Sturgeon {Acipenseridae) responses to new ecological conditions in the Caspian Sea / P.P. Geraskin // Int. symp. on sturgeons: PROCEEDINGS. September 6-1, 1993. Moscow-Kostroma-Moscow. - Russia. -Moscow: VNIRO Publishing, 1995. - P. 173-177.
41. Khodorevskaya, R.P. A study on physiological and biochemical status of beluga sturgeon Huso huso (L.) and its feeding habits / R.P.Khodorevskaya, A.A. Polyaninova, A.A. Romanov, P.P. Geraskin // Int. symp. on sturgeons: PROCEEDINGS. September 6-1, 1993. Moscow-Kostroma-Moscow. - Russia. -Moscow: VNIRO Publishing, 1995. - P.164-172.
42. Гераскин ПЛ. Реакция организма осетровых рыб на ухудшение условий обитания в Каспийском море / П.П. Гераскин // Совр. пробл. водн. токсикологии - Борок. - 2005. - С.27-28.
Список сокращений используемых в диссертации
АО А - общая антиоксидантная активность АОЗ - антиоксидантная защита АсПОЛ - аскорбатзависимое ПОЛ АТФ - аденозинтрифосфат АФК - активные формы кислорода ВРБ - водорастворимый белок Гл - гликоген
ЕИФ - естественный ингибирующий фактор
ЛДГ - лакгатдегидрогеназа
МДА - малоновый диальдещд
НУ - нефтеуглеводороды
ОБ - общий белок
ОЛ - общие липиды
ОРЭ - осмотическая резистентность эритроцитов
ПОЛ - перекисное окисление липидов ППМТ - поперечнополосатая мышечная ткань _ _
СДГ - сукщшатдегидрогеназа
СЗГ - стадия зрелости гонад
СОЭ - скорость оседания эритроцитов
СПАВ - синтетические поверхностно
активные вещества
СпПОЛ - спонтанное ПОЛ
ФВМБ - фракция высокомолекулярных
белков
ФНМБ - фракция низкомолекулярных белков ФСМБ - фракция среднемолекулярных белков Хл - холестерин
ХОП - хлорорганические пестициды
ЦО - цитохромоксидаза
ЭПР - эндоплазматический ретикулум
НЬ - гемоглобин
Р-ЛП - бета-липопротеиды
Подписано в печать «29» октября 2013 г. Тираж 100 экз. Заказ № 707 Типография ФГБОУ ВПО «АГТУ», тел. 61-45-23 г. Астрахань, Татищева 16ж.
Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Гераскин, Петр Петрович, Астрахань
ФГБОУ ВПО Астраханский Государственный технический университет Федерального агентства по рыболовству РФ
На правах рукописи
05201
(*50062
Гераскин Петр Петрович
РЕАКЦИИ ОРГАНИЗМА КАСПИЙСКИХ ОСЕТРОВЫХ
(АаРЕ^ЕКГОАЕ) НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ
Специальность: 03.03.01 - физиология
Диссертация на соискание учёной степени доктора биологических наук
Астрахань - 2013
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение........................................................................... 5
Глава I Обзор литературы.....................................................14
1.1. Загрязнение низовьев р. Волги и Каспийского моря как новый фактор современной среды обитания осетровых рыб................ 14
1.1.1. Источники загрязнения Каспийского моря................. 16
1.1.2. Уровень загрязнения нижнего Урала и низовьев Волги .. 25
1.1.3. Загрязнение Каспийского моря.................................. 33
1.2. Влияние токсикантов на физиологические системы рыб...... 50
1.2.1. Фенолы и другие простые органические вещества........ 52
1.2.2. Нефть и продукты её переработки ........................... 64
1.2.3. СПАВ............................................................... 80
1.2.4. Пестициды.......................................................... 81
1.2.5. Тяжёлые металлы................................................. 98
Глава II Материалы, методология и методы исследований............ 123
2.1. Организация и материалы изучения физиологического состояния осетровых рыб................................................ 123
2.2. Обоснование методологического подхода к исследованиям рыб в условиях загрязнения их среды обитания............................124
2.3. Методы изучения физиологического состояния осетровых рыб.............................................................................. 133
Глава III Реакции организма осетровых на воздействие антропогенных факторов в р. Волге и Каспийском море...................................136
3.1. Признаки появления ответных реакций организма осетровых рыб на антропогенное воздействие......................................136
3.2. Развитие реакции организма осетровых на загрязнение среды их обитания..................................................................... 145
3.2.1. Функциональные изменения.................................. 146
3.2.1.1. Морской период жизни................................146
3.2.1.2. Речной период жизни.................................. 157
3.2.2. Морфофункциональные изменения в органах и тканях .180
3.2.3. Физиолого-биохимический статус осетровых с различной степенью патологии мышечной ткани..............................187
Глава IV Влияние различных уровней загрязнения Каспийского моря на физиологические системы осетровых рыб............................. 205
4.1. Закономерности появления оксидативного стресса........... 206
4.1.1. Межгодовая динамика уровня ПОЛ в печени и мышцах осетровых рыб и её связь со степенью загрязнённости морских вод отдельными видами поллютантов............................ 2.08
4.1.2. Закономерности изменений интенсивности ПОЛ от сезона и объёма паводковых вод, привносимых в Северный Каспий р. Волгой.................................................................. 214
4.1.3. Регрессионный анализ зависимостей параметров ПОЛ от общего уровня загрязнений и отельных видов поллютантов .. 217
4.2. Влияние загрязнения вод Северного Каспия на функционирование ферментов энергетической системы осетровых рыб...................................................................................................... 224
4.3. Реакция дыхательной системы и использование запасов гликогена печени при воздействии на осетровых поллютантов ..234
4.4. Отклик регуляторно-гомеостатической функции организма осетровых рыб на загрязнение водной среды......................... 240
4.5. Состояние защитной функции организма осетровых рыб при воздействии на них поллютантов....................................... 252
Глава V Формирование реакций организма осетровых рыб на
загрязнение среды обитания........................................................ 259
5.1. Особенности реагирования осетровых, на складывающуюся
обстановку с загрязнением естественной среды в разные периоды
исследования................................................................. 259
5.2. Особенности ответных реакций на различные уровни раздражения, порождаемые негативными факторами внешней среды.......................................................................... 275
5.3. Механизм развития адаптивных реакций на действие поллютантов................................................................. 291
Заключение...................................................................... 329
Выводы............................................................................ 339
Список литературы............................................................. 343
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования и степень её разработанности
Впервые упоминание об антропогенном влиянии на рыб и загрязнении рыбохозяйственных водоемов встречается в работах K.M. Бэра (1860) и К.Ф. Кесслера (1863) еще в середине 19 века. Анализируя причины снижения рыбных запасов, они приходят к одному и тому же выводу, что наряду с нерациональным промыслом, вредное влияние на численность рыб оказывает и загрязнение рек сточными водами фабрик и заводов. Более полно эту проблему высветил O.A. Гримм (1891, 1896) и И.Н. Арнольд (1903) в своих работах, посвященных влиянию нефти на рыб. С тех пор актуальность изучения антропогенного влияния на гидробионты, с развитием промышленности, водного транспорта и сельского хозяйства, приобрела необычайную остроту.
Современное загрязнение Каспийского моря формировалось под влиянием длительного сброса промышленных сточных вод в реки, впадающие в море, смывов с сельхозполей ядохимикатов и удобрений, попадания в воду нефти и продуктов её переработки, вследствие добычи как в самом море и прибрежных районах, так и при транспортировке и эксплуатации водного транспорта. Особенно интенсивно происходило загрязнение моря и р. Волги в период интенсификации сельского хозяйства и роста промышленности в 70-е и начале 80-х годов. О масштабах загрязнения в то время в какой-то мере можно было судить исходя из объема сточных вод попадаемых в Каспий. Ежегодно он составлял более 40 кубокилометров. Только в районе Нижней Волги сброс промышленных и коллекторно-дренажных вод достигал 3 млн. м (Лукьяненко, 1989а). Вместе с такими водами в Каспий поступали тяжелые металлы, минеральные удобрения, пестициды, нефть и нефтепродукты, органические и поверхностно активные
вещества и другие токсиканты. Кроме того, положение усугублялось еще и тем, что в Волго-Каспийском регионе в эти годы высокими темпами росла химизация сельского хозяйства. Вынос удобрений и ядохимикатов, используемых в сельском хозяйстве, в р. Волгу вместе с дождевыми и талыми водами возрос в десятки раз. Среднегодовая токсическая нагрузка на р. Волгу в 3 с лишним раза превосходила таковую на реки других регионов. К тому же стремительно развивающаяся добыча нефти в самом море и прибрежных районах увеличивала и увеличивает до сих пор загрязненность Каспия нефтью и нефтепродуктами. Следствием этого стало резкое ухудшение экологической ситуации в Каспийском море. Все чаще в водах и грунтах р. Волги и Северного Каспия стали выявляться превышения допустимых норм по различным токсическим веществам (Бухарицин, 1992; Ильзова и др., 1992; Ковалев, Хрусталев, 1992, Попова и др. 1992). К концу 80-х годов уровень загрязнения достиг критических величин (Ласкорин, Лукьяненко, 1990), усугубляемой разработками в море углеводородного сырья. Современная загрязнённость Каспия в целом характеризуется, прежде всего, содержанием повышенных концентраций нефтеуглеводородов, которые выявляются во всех районах моря в больших или меньших количествах (Бутаев, 1999). При этом каждому из регионов моря и временному промежутку (начиная с 80-х годов) свойственен свой дополнительный набор токсических веществ, из которых в качестве доминирующего могут выступать различные классы токсикантов: фенолы, пестициды и в некоторых случаях тяжелые металлы. С этого времени загрязнение водоёма достигло такого уровня, что, по степени воздействия на рыб, уже не стало уступать природным факторам. Оно вылилось в постоянно действующую, новую силу, негативного характера с изменяющимися параметрами токсичности, как во времени, так и в пространстве. В этих условиях загрязнение, действующее на экосистемы р. Волги и Северного Каспия, значительно ухудшило условия обитания водных животных, что в
большей степени повлияло на долгоживущих рыб, к каким относятся осетровые. Если в 60-70-х годах он определялся лишь половым циклом рыб, то, начиная с 80-х годов, все сильнее и сильнее стал сказываться токсический фактор, обуславливающий те или иные отклонения на функциональном или морфологическом уровнях. Наиболее сильно влияние новых экологических условий сказалось во второй половине 80-х годов, когда у некоторой части особей осетровых возник феномен расслоения мышечной ткани и ослабление оболочек икры, явление которое ранее не было описано нигде в литературе. К 1987 г. оно достигло массового характера у внешне здоровых рыб.
В это же время были зафиксированы и существенные изменениям в физиологическом состоянии осетровых рыб. Они выражались в значительных отклонениях функциональных показателей от уровня 60-70 годов и структурных нарушениях в печени, жабрах, мышцах и половых железах, выявляемых гистологическими методами, значение которых в большинстве случаев было непонятно. Исследования, проводимые в этом направлении, ограничивались констатацией факта влияния поллютантов на те, или иные физиолого-биохимические показатели, а целью экспериментов с токсикантами, в подавляющем большинстве, было более точное определение ПДК (Лукьяненко, 1983, 1987). Практически отсутствовали исследования в естественной среде, показывающие развитие реакции организма гидробионтов на увеличение загрязнения среды их обитания и его механизм. Тем более что развитие промышленности, сельского хозяйства и интенсификация добычи нефти в Волго-Каспийском регионе в будущем может привести к повторению экологической ситуации 80-х годов. Имеющиеся сведения о стрессовых реакциях у рыб либо неполны (Смит, 1986, Иванов, 2003) либо рассматривались с точки зрения их разделения на защитные и повреждающие процессы (Мартемьянов, 2002). Можно полагать, что лишь всесторонний анализ многолетних данных исследования осетровых рыб, полученных при разных уровнях загрязнения водной среды, позволит
раскрыть механизмы реакций организма рыб, объяснить изменения в обменных процессах и морфофункциональном состоянии различных тканей и органов.
Цель и основные задачи исследования
Основная цель данной работы состояла в выявлении причинно -следственных связей между действующими факторами внешней среды и изменениями в физиолого-биохимических показателях и гистоморфологических структурах тканей и их адаптационный смысл на основе комплексного физиолого-биохимического и гистологического анализов. В связи с этим, были поставлены следующие задачи:
1. Показать реакцию организма осетровых рыб и её развитие в условиях антропогенного влияния на экосистему Волго-Каспия.
2. Исследовать изменения физиолого-биохимических показателей отражающих функционирование различных физиологических систем осетровых рыб и степень повреждения структур тканей мышц, жабр и половых желёз при колебаниях уровня загрязненности среды их обитания.
3. Выявить смысл формирования различного уровня ответных реакций осетровых рыб на воздействие загрязнений.
4. Раскрыть механизм появления структурно-функциональных изменений у осетровых рыб при различных уровнях загрязнения воды.
Научная новизна работы
Впервые на большом фактическом материале в природных условиях показано развитие реакции организма осетровых рыб на загрязнение среды их обитания. Доказано, что в подавляющем большинстве своём они являются различного уровня неспецифическими адаптационными реакциями организма. Впервые обоснована степень вовлечённости в адаптационный процесс различных функциональных систем от уровня загрязнения и
длительности его действия. Установлены причинно-следственные связи и механизм проявления обнаруженных у осетровых рыб структурных и функциональных нарушений. Приведены доказательства, что явление «расслоения» мышц у осетровых рыб в условиях загрязнения моря, вызвано тканевой или точнее гепатотоксической гипоксией.
Теоретическое и практическое значение работы
На основании многолетних мониторинговых исследований физиологического состояния осетровых и анализа литературных данных впервые показан механизм отклика физиологических систем на различный уровень интоксикации рыб в природных условиях, и роли свободнорадикального окисления в появлении функциональных и структурных изменений в мышечной ткани и печени. Приведены доказательства, что в природных условиях реакция рыб на токсическое воздействие загрязнение среды обитания проявляется в подавляющем большинстве комплексом адаптивных реакций, уровень которых зависит от полученной дозы, соотношения прооксидантных и антиоксидантных веществ и степени необходимости обеспечения энергией организма в этих условиях.
Практическая значимость работы заключается в использовании результатов и выводов в практической ихтиологии при долгосрочном и краткосрочном прогнозировании возможных выловов рыб промыслом и аквакультуре при оценке физиологического состояния рыб и устранении оксидативного стресса, например при использовании некачественных кормов.
Методология изучения физиологического состояния рыб в настоящее время используется ФГУП КаспНИРХ при оценке состояния популяций осетровых, воблы, леща, анчоусовидной кильки для обоснования их допустимых уловов. К практическим результатам данного исследования необходимо отнести также, выполнение поставленной Министерством
рыбного хозяйства СССР задачи (протокол № 8-р от 1 июля 1987 г.) по выявлению причин расслоения мышц и ослабления оболочек икры у осетровых рыб и рекомендации для ВРПО Каспрыбы по снижению их проявления в процессе технологической переработки.
Работа выполнялась в соответствии с Государственными научно-техническими программами: «Физиологический анализ популяционной структуры осетровых»; «Физиологические основы воспроизводства и рационального промысла осетровых»; «Физиолого-биохимические и морфофункциональные основы совершенствования прогноза вылова осетровых»; «Изучить явление расслоения мышечной ткани и ослабление оболочки икры у осетра, севрюги, белуги, их качество, среду обитания, определить пути улучшения качество продукции»; «Мониторинг физиологического состояния осетровых в условиях загрязнения Каспия и реки Волги»; «Мониторинг физиологического состояния осетровых в условиях хронического токсикоза»; «Мониторинг физиологического состояния и изучение популяционной структуры каспийских осетровых в условиях повышенного уровня воздействия на них антропогенных факторов».
Методология и методы исследования
В основе методологии изучения физиологического состояния осетровых рыб были заложены принципы системности и комплексности исследования различных физиолого-биохимических показателей и морфофункционального состояния органов и тканей, с учётом их уровня лабильности и консервативности. Обоснование применения такой методологи в исследованиях физиологического состояния осетровых рыб более подробно дано во второй главе, как и сами методы исследования. Исходя из принятой методологической концепции, изучался комплекс стандартных и апробированных физиолого-биохимических и
гистологических показателей, отражающих функционирование таких физиологических систем, как дыхательная, энергетическая, регуляторно-гомеостатическая, защитная и репродуктивная.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Уровень перекисного окисления липидов в печени и мышцах осетровых рыб, обитающих в море (при прочих равных условиях) определяется степенью загрязнения воды.
2. Степень ингибирования активности цитохромоксидазы в печени и мышцах, в условиях загрязнения водной среды, обусловливает уровень перекисных процессов, индуцируемых токсикантами.
3. В основе структурно-функциональных изменений, зафиксированных у осетровых рыб, лежат процессы детоксикации, мобилизации энергоресурсов и удовлетворение возросших энергозатрат, динамика соотношения прооксидантных и антиоксидантных веществ, переход в метаболическую депрессию.
4. Реакция организма осетровых рыб на загрязнение среды их обитания представляет собой комплекс неспецифических адаптивных реакций.
Степень достоверности и апробация результатов
Достоверность полученных данных использованных в работе определяется не только достаточно большим количеством исследованных особей, но и применением стандартных и апробированных методов изучения тех или иных показателей. Строгим соблюдением методических условий сбора и постановки анализов. Применением в обработке, полученных данных в результате изучения физиологического состояния осетровых, статистических методов с использованием критерия достоверности различий - ^критерия Стьюдента и других методов статистического анализа.
Основные результаты работы прошли апробацию на различн
-
Гераскин, Петр Петрович
-
доктора биологических наук
-
Астрахань, 2013
-
ВАК 03.03.01
- Адаптационные процессы в воспроизводстве каспийских осетровых
- Эколого-токсикологическая характеристика Волги и Северной части Каспийского моря в связи с воспроизводством осетровых рыб
- Закономерности формирования численности и структуры популяции русского осетра Acipenser gueldenstaedtii Brandt Волго-Каспийского района под воздействием промысла, воспроизводства и условий обитания
- Морфофункциональные изменения жизненно важных систем организма нижневолжской стерляди в современных экологических условиях
- Поведение, распределение и миграции осетровых рыб Волго-Каспийского бассейна
