Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экологические и физиологические особенности мелких млекопитающих (литературный обзор). 13
1.1. Экологические особенности исследуемых видов мелких млекопитающих 13
1.2. Роль микроэлементов в гомеостатических функциях организма 21
1.3. Кровь как интегрирующая среда организма в условиях техногенного загрязнения 54 Глава 2. Объекты и методы исследований 63
2.1. Характеристика мест обитания мелких млекопитающих природных популяций Урала 63
2.2. Общая характеристика объектов исследования. 77
2.3. Определение основного обмена 78
2.4. Методы исследования метаболических процессов в тканях 79
2.5. Анализ гематологических показателей 80
2.6. Методика определения содержания тяжелых металлов в тканях мелких млекопитающих 81
2.7. Лабораторный эксперимент по накоплению меди, цинка и кадмия в критических органах (печени, почках, селезёнке), в сердце и сыворотке крови мелких млекопитающих в условиях длительного поступления тяжёлых металлов в организм с питьевой водой. 83
2.8. Статистические методы обработки полученных результатов. 85
Глава 3. Оценка физиологического состояния мелких млекопитающих, обитающих на фоновых территориях Южного и Среднего Урала и на территориях с техногенным загрязнением 87
3.1. Сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в тканях мелких млекопитающих природных популяций 88
3.2. Основной обмен и процессы окислительного метаболизма в тканях мелких млекопитающих 103
Глава 4. Особенности аккумуляции тяжёлых металлов в критических органах мышевидных грызунов 112
4.1. Накопление тяжёлых металлов (Си, Zn, Cd) в критических органах белых беспородных мышей в лабораторном эксперименте 112
4.2. Содержание меди, цинка, кадмия и свинца в критических органах рыжей полевки (Clethrionomys glareolus) в условиях модельного эксперимента 127
Глава 5. Кроветворная система рыжей полевки при хроническом пероральном введении меди, цинка и кадмия в лабораторном эксперименте 148
Заключение 165
Выводы 175
Список используемой литературы 178
- Экологические особенности исследуемых видов мелких млекопитающих
- Сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в тканях мелких млекопитающих природных популяций
- Накопление тяжёлых металлов (Си, Zn, Cd) в критических органах белых беспородных мышей в лабораторном эксперименте
Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование влияния глобальных техногенных загрязнений окружающей среды на организм является одной из важнейших задач современной экологии, поскольку микроэлементное загрязнение окружающей среды теснит природные формы патологии живых существ и неизбежно накладывает на них свой искажающий отпечаток. Сегодня в мире первое место по приоритетности занимают стойкие токсические загрязнители - тяжелые металлы. В современных условиях развития общества охрана окружающей среды и рационального использования природных ресурсов превратились в одну из сложнейших проблем, разрешение которой требует приложения усилий в самых разных направлениях.
Актуальность данной проблемы не вызывает сомнений тем более, что Уральская горная провинция в силу своего географического расположения и высокой концентрации предприятий металлургии является регионом экологического риска, где медико-экологическая ситуация расценивается как «неблагоприятная», а регион занимает двенадцатое место среди двадцати наиболее неблагополучных в этом отношении регионов России (WEB-Атлас «Окружающая среда и здоровье населения России 1999 г.»). И поскольку тяжелые цветные металлы (ТМ) являются одним из определяющих техногенных загрязнителей природной среды на Среднем и Южном Урале, а в техногенных потоках присутствует зачастую целый спектр этих элементов, то при оценке степени загрязнения природной среды важно учитывать не только средние показатели по отдельным микроэлементам (МЭ), но и их соотношение и
координированное воздействие на организм, как при долговременном мониторинге, так и при экспресс-исследовании. Особый интерес в области экологических исследований представляет изучение процесса адаптации организма к сочетанному воздействию таких критических загрязнителей как соединения цинка, меди, свинца и кадмия.
Чрезвычайно важна и проблема неблагоприятного влияния тяжелых металлов на организм, поскольку их постоянное поступление приводит к таким биологическими последствиям, как кумуляция, возможность мутагенного, канцерогенного, тератогенного, эмбрио - и гонадотоксического действия (Вернадский, 1978; Казначеев, 1987; Авцын, Жаворонков Риж, Строчкова, 1991; Агаджанян, Скальный, 2002). Организмы реагируют на эмиссии путем аккумуляции значительных количеств загрязнителя или изменениями в метаболических процессах (Кудяшева, Шишкина, Загорская, Таскаев, 1997). И, если высокие концентрации загрязнителя приводят к четко выраженным эффектам, то низкие концентрации вызывают хронические повреждения, что нередко остается скрытым и может быть выявлено лишь путем физиологических и биохимических исследований.
Анализ научных публикаций показывает, что к настоящему времени подробно исследован ряд популяционных и морфофизиологических характеристик мелких млекопитающих, обитающих в различных зонах Урала, подверженных влиянию промышленных выбросов (Безель, Оленев, 1989; Пястолова, 1990; Черноусова, 1990; Лукьянова, 1992; Мухачёва, Безель, 1995). Однако, в этих работах представлены в основном характеристики
7 биоразнообразия, состояния популяций, численности видов и не даётся полного представления о связи микроэлементного статуса с физиологическими процессами организма такими, как основной обмен и система крови. В то же время, знание компенсаторно-приспособительных возможностей организма в условиях промышленных загрязнений среды обитания важно как для решения задач охраны окружающей среды, так и для срочных мероприятий по диагностике и предупреждению развития патологических, необратимых процессов в организме. Актуальность и состояние вопроса об эколого-физиологических адаптивных возможностях представителей териофауны в естественной среде обитания и при антропогенных воздействиях, предопределило цели и задачи нашего исследования.
Цель работы. Изучить эколого-физиологические особенности мелких млекопитающих природных популяций фоновых и техногенных ландшафтов Уральского региона.
Задачи исследования:
Изучить состояние обмена тяжёлых металлов у мелких млекопитающих, принадлежащих к различным экологическим группам, обитающих на Среднем и Южном Урале.
Оценить уровни накопления и распределения эндогенных (медь, цинк) и экзогенных (кадмий, свинец) металлов в тканях и органах мелких млекопитающих фоновых территорий и в зонах подверженных техногенным выбросам.
8 3. Исследовать видовые и популяционные особенности энергетического обмена и системы крови мелких млекопитающих; дать их сравнительную оценку в зависимости от дозы накопления организмом тяжелых металлов.
Научная новизна работы. Впервые проведены комплексные исследования энергетического обмена, системы крови и содержания тяжёлых металлов в критических органах экологически контрастных видов мелких млекопитающих (рыжая полевка (Clethrionomys glareolus Schreber.,1780), малая лесная мышь (Apodemus (Sylvaemus) uralensis Pallas, 1811), бурозубка обыкновенная (Sorex araneus L., 1758)), обитающих в зоне действия выбросов Средне-Уральского медеплавильного комбината (Средний Урал), Медногорского медно-серного комбината (Южный Урал), фоновых территорий Среднего (национальный парк «Припышминские боры») и Южного Урала (Ильменский заповедник). Обнаружено, что уровни накопления меди и кадмия в тканях насекомоядных достоверно отличны от таковых у полёвок и мышей. Длительное удержание в организме достаточно высоких концентраций (нелетальные дозы) кадмия в тканях самок вызывают уменьшение массы тела новорожденных полёвок и мышей. Впервые экспериментально на мелких млекопитающих из природных популяций показано, что комплексное воздействие тяжёлых металлов на организм приводит к иной реакции системы крови, чем воздействие отдельно взятого металла. Выявлено, что рыжие полевки, обитающие в течение ряда поколений на территориях подверженных высокому техногенному загрязнению, обладают механизмами защиты от повреждающего действия тяжелых металлов на гемопоэз. Процесс выведения
9 избыточного количества микроэлементов относится к энергозависимым процессам, на что указывает активация энергетического обмена у животных территорий, подверженных воздействию техногенных выбросов.
Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты исследований носят фундаментальный характер и расширяют современные представления теории адаптации о механизмах аварийного регулирования в организме при сочетанном воздействии экстремальных природных и антропогенных факторов среды обитания.
Полученные данные о сравнительной неспецифической устойчивости мелких млекопитающих наряду со специфическими отклонениями физиологических констант могут быть необходимы для разработки мероприятий по сохранению биогеоценозов и наиболее ценных видов животных, а также создания научной теории природопользования.
Определены показатели биоаккумуляции тяжелых металлов у мелких млекопитающих фоновых и техногенных территорий. Результаты диссертационной работы дополняют имеющиеся представления о принципах нормирования содержания тяжелых металлов в окружающей среде и могут быть использованы как при оценке состояния биоты природных и техногенных территорий Уральской горной провинции, так и в целях долгосрочного экологического прогнозирования.
Показана перспективность использования гематологических показателей при оценке комплексного воздействия загрязнения тяжелыми металлами окружающей среды. Выявленные эффекты воздействия изучаемых металлов на
10 состояние периферической крови экологически разных видов мелких млекопитающих могут лечь в основу разработки системы биомониторинга.
Материалы работы использованы в учебном процессе на кафедре биологии и медицинской генетики Уральской государственной медицинской академии. Результаты исследований внедрены в практическую работу лаборатории «Проблемы адаптации» при ГУ Средне-Уральского научного центра Российской академии медицинских наук и Правительства Свердловской области, занимающейся в том числе и проблемами диагностики и предупреждения, развития патологических необратимых процессов в организме человека. Работа получила поддержку Президиума РАН по программе «Фундаментальные науки - медицине» (per. №11). Основные положения, выносимые на защиту:
Биоаккумуляция тяжёлых металлов (Си, Zn, Cd, Pb) тканями мелких млекопитающих (рыжая полевка (Clethrionomys glareolus Schreber.,1780), малая лесная мышь (Apodemus (Sylvaemus) uralensis Pallas,1811), бурозубка обыкновенная (Sorex araneus L., 1758)) из природных популяций видоспецифична и зависит от фактора и продолжительности его воздействия.
Техногенное загрязнение среды обитания выбросами медеплавильных комбинатов в различных климато-географических зонах вызывает дисбаланс основного обмена и реакцию системы крови изученных нами экологически контрастных видов мелких млекопитающих.
Рыжие полёвки (Clethrionomys glareolus Schreber.,1780), обитающие в течение ряда поколений на территориях подверженных высокому техногенному загрязнению, обладают механизмами защиты от повреждающего действия тяжелых металлов на гемопоэз.
Характер накопления и распределения металлов в органах и тканях в случае их изолированного и сочетанного поступления различен. Это определяет уровень токсичности комплекса тяжелых металлов, что необходимо учитывать при экологическом нормировании.
Выражаю искреннюю благодарность к.б.н. В. Г. Оленеву, к.х.н. Н. В. Микшевичу, к.б.н. Л. В. Черной, к.б.н. Е. А. Шуровой, к.м.н. А. Э. Тархановой, к.б.н. М. В. Чибиряку, к.б.н. Л. П. Шаровой, к.б.н. Ю. М. Малофееву за оказанную помощь при сборе и обработке биологического материала. Автор считает своим долгом выразить признательность д.б.н. А. Г. Васильеву, д.б.н. И. М. Хохуткину, к.б.н. Ю. Л. Вигорову, к.м.н. А. В. Короткову, а также всем сотрудникам лаборатории Экологических основ изменчивости и биоразнообразия животных Института экологии растений и животных УрО РАН за участие в обсуждении результатов исследований и ценные советы, полученные при подготовке к печати настоящей работы.
Автор благодарит академика РАН, д.б.н. В. Н. Большакова за постоянную поддержку и научные советы по исследуемой проблеме.
Особая благодарность моему научному руководителю доктору биологических наук Л. А. Ковальчук, которой я глубоко признательна за общее руководство работой, за оказанную повседневную помощь при проведении исследований и обработке полученных результатов, за ценные советы и критические замечания.
Экологические особенности исследуемых видов мелких млекопитающих
Роль и участие эссенциальных и токсичных микроэлементов (МЭ) в гомеостатических функциях организма совершенно очевидна (Войнар, 1960; Левина, 1972; Hemphill, 1973), а их подразделение на эссенциальные и токсичные достаточно условно, ибо результат действия МЭ зависит от возраста, от функциональной активности реципиирующих, детоксицирующих и элиминирующих систем. Уровень эссенциальных и экзогенных макро- и микроэлементов в кроветворной и органных тканях подчиняется определённым физиологическим процессам.
Так W. Mertz (1982) отметил, что" каждый элемент имеет присущий ему диапазон безопасной экспозиции, который поддерживает оптимальные тканевые концентрации и функции; и у каждого МЭ имеется свой токсический диапазон, когда безопасная степень его экспозиции превышена ". К общеизвестным токсичным МЭ относятся: ртуть, свинец, фтор, кадмий, бериллий, мышьяк, хром, алюминий. Интерес представляют МЭ, способные вызывать токсический эффект в определённых концентрациях, при определённой экспозиции воздействия. Одни микроэлементы поступают в организм ингаляционно, алиментарно, парентерально и проникая в кровь, элиминируются с мочой и селективно абсорбируются в высокоминерализованных тканях. Другие такие микро - и макроэлементы как цинк, медь, кадмий, железо, свинец и др., поступают в кровь в виде комплексов с металлотионеинами (Suzuki, Yamamura, 1980). МЭ характеризуются бимодальным или даже тримодальным эффектом, результирующая которого зависит от концентрации ионов металлов в тех или иных органах и структурных компонентах клетки. Избыточное поступление некоторых МЭ «запускает» систему селективной элиминации, которая блокирует процесс их всасывания в желудочно-кишечный тракт, откладывая частично в депо избыток МЭ и выводя их из организма с мочой, потом, калом и молоком (Oehme, 1978).
Воздействие МЭ на человека и животных осуществляется и в процессе их естественной биосферной циркуляции, причем химические формы элементов в этом процессе подвергаются изменениям (Вернадский, 1949, Zumkley, 1983).
Суммарный эффект воздействия элементов на организмы или органы-мишени - результат многих сложных процессов, характер которых определяется химическими свойствами элемента и биологическими особенностями вида животных или растений. Поэтому часто эффекты загрязнения проявляются на высоких трофических уровнях, а не на тех, которые осуществляют биоаккумуляцию или биообогащение. Отравление тем или иным элементом наступает при достижении в критическом органе дозы, достаточной для нарушения нормального функционирования органа, нарушение работы которого, в свою очередь, приводит к изменению его биохимических показателей. Уровнем отсчета при определении количества элемента, накопленного в результате экспозиции, является его нормальное содержание в органах и тканях. При установлении «нормы» примесных микроэлементов возникают значительные трудности, связанные с высокой вариабельностью индивидуальных значений содержаний этих элементов. Относительное постоянство уровня необходимых элементов в активно функционирующих органах животных определяется эффективными механизмами гомеостаза (Проссер, Браун, 1967; Шмидт-Ниельсен, 1982; von Н. Zumkley, 1983). Естественный отбор, по-видимому, обеспечил гомеостатическое регулирование потенциально необходимых и широко распространенных элементов (Шварц, 1980; Durman, Palmiter, 1981). Эффекты токсического воздействия неорганических веществ на организм характеризуются как общими признаками ядовитых воздействий, так и их специфическими проявлениями. Любая реакция организма в ответ на воздействие вредного вещества всегда является результатом взаимодействия этого вещества и организма. Следовательно, сила ответной реакции определяется, при прочих равных условиях, не только химической спецификой ядовитого агента, но и особенностями организма, подвергаемого экспозиции (Aggett, 1985). В общем случае токсичность химического агента можно определить как меру любого аномального изменения функций организма под действием этого агента при заданных внешних условиях. Наиболее важными аномальными эффектами, вызываемыми неорганическими веществами на молекулярном уровне являются: ингибирование ферментов, необратимые конформационные изменения макромолекул (белков, нуклеиновых кислот) и как следствие, изменение скорости процессов метаболизма и синтеза, возникновение мутаций. На клеточном уровне такие изменения вызывают дефицит жизненно важных метаболитов, нарушают структуру и проницаемость клеточных мембран (Aggett, 1985; Ершов, Плетнева, 1989).
Сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в тканях мелких млекопитающих природных популяций
Большой интерес представляет изучение накопления тяжёлых металлов (ТМ) в критических органах животных в условиях загрязнения окружающей среды потоками поллютантов, содержащих несколько сходных по природе элементов в различных соотношениях, что характерно для выбросов медеплавильных производств. Натурные исследования позволяют связать эти уровни накопления с содержанием ТМ в растительном материале и почве, что даёт возможность оценить дозовые нагрузки исходя из содержания загрязнителя в отдельных звеньях пищевой цепочки. Исследования проведены на фоновой и загрязнённой территориях, что даёт возможность выявить взаимовлияние микро- и макроэлементов. Результаты анализа почвенных и растительных проб показали их чрезвычайно высокую загрязнённость тяжёлыми металлами в зоне действия медеплавильного комбината на Среднем Урале (табл. 4). Предельно допустимые концентрации для почв допускают содержание меди 75-150 мг/кг, цинка 150-200 мг/кг, свинца 100-150 мг/кг и кадмия 1-2 мг/кг (Обухов, Ефремова, 1988). Что касается загрязнения растительного покрова, то самые низкие уровни аккумуляции кадмия, меди, цинка и свинца отмечены у мятлика (1,9-26,1-60,2 мг/кг - соответственно), у клевера (33,6-112,2-1,0 мкг/кг соответственно), щучки дернистой (45,0-180,0-1,7 мкг/кг соответственно), хвоща полевого (40,0-152,0-0,7 мкг/кг соответственно), а наиболее высокие уровни накопления имеет брусничник (2,5-1492-287-13 мг/кг - соответственно), очень высокой кумулятивной способностью обладают бодяк (1,7-2460-241-10 мг/кг - соответственно) и мать-и-мачеха (1,9-1970-140-21 мг/кг - соответственно).
Накопление тяжёлых металлов (Си, Zn, Cd) в критических органах белых беспородных мышей в лабораторном эксперименте
Установление потенциальной токсичности того или иного загрязнителя в экосистеме осложнено тем, что значимость выбранных параметров на уровне популяции достаточно неопределённа. Часто критерием устойчивости или чувствительности организмов к действию загрязнителя служит смертность.
Следовательно, лабораторные эксперименты при контролируемых условиях необходимы при получении информации и данных, описывающих ответную реакцию организма на нарушение качества окружающей среды и ее составляющих, которая может проявляться в виде изменений в процессах метаболизма и физиологии, и аккумуляцией загрязнителя. И, если высокие концентрации поллютантов приводят к острым макроскопическим воздействиям (поражениям), то низкие их содержания вызывают хронические повреждения, что остаётся скрытым и может быть выявлено лишь путём физиологических и биохимических анализов.
Накопление тяжелых металлов (Си, Zn, Cd) критических органах белых беспородных мышей в лабораторном эксперименте Результаты лабораторного эксперимента по динамике накопления меди, цинка и кадмия в критических органах лабораторных животных показали (табл. 9-12), что у животных первой группы, получавших с питьевой водой только кадмий в дозе 5 мкг/сут., накопление данного элемента в почках практически не происходило и содержание его оставалось на уровне контрольной величины в течение всего эксперимента. Однако можно отметить тенденцию к повышению содержания кадмия на четырнадцатый день опыта и достоверное понижение его на двадцать восьмой день по сравнению с четырнадцатым. В печени содержание кадмия на седьмой день эксперимента было на уровне контрольных величин, а начиная с четырнадцатых суток - достоверно выше, чем у контроля, и оставалось таким до конца эксперимента (табл. 9).
Содержание меди в почках экспериментальных животных на фоне введения кадмия на седьмые сутки эксперимента в 2 раза превышало контрольные значения с последующим снижением к четырнадцатым суткам и резким повышением в 4 раза на 28-е сутки эксперимента. Необходимо отметить достоверное понижение содержания меди на четырнадцатый день дозовых нагрузок по сравнению с седьмым днем и достоверное его повышение на двадцать восьмой день. В печени содержание меди на седьмой день с начала эксперимента было достоверно выше контрольной величины, но уже на четырнадцатый день оно понизилось до уровня, близкого к контрольному. Однако уже на двадцать восьмые сутки исследования количество меди в печени вновь достоверно выше контрольных значений и совпадает с концентрацией, выявленной на седьмые сутки (табл. 9).
Содержание цинка в почках экспериментальных животных было достоверно выше, чем у контрольных животных, на седьмой день. Однако, можно отметить незначительное снижение содержания цинка на двадцать восьмой день по сравнению с четырнадцатым.
