Введение к работе
Актуальность темы. Технический прогресс приводит к загрязнению биосферы тяжелыми металлами, в частности кадмием. Главными источниками поступления кадмия в окружающую среду являются предприятия по добыче и переработке цветных и черных металлов, тепловые электростанции (ТЭС), транспорт/машиностроительная, химическая и сельскохозяйственная промышленности, жилищно-коммунальные комплексы [Goering P.L., 1994]. В последние годы в высокотехнологичных производствах используют нанопорошки сульфида, селенида и теллурида кадмия, которые могут вносить существенный вклад в общее загрязнение биосферы [Klaine S.J.et al., 2008].
В промышленно развитых районах концентрация кадмия превышает допустимые нормативы в десятки раз, а около мощных источников выброса - в сотни и тысячи раз. Высокие уровни токсичных веществ регистрируют в радиусе 1-2 км от ТЭС, рудников и 2-5 км от металлургических комбинатов, а также на расстоянии 50-100 м от автомагистралей [Оценка и регулирование..., 1996]. В сточных водах свинцово-цинковых и машиностроительных заводов содержание кадмия составляет 1,5-5,0 и 1,0-6,0 мг/л, соответственно [Грушко Я.М., 1979]. Ненормированное внесение в почву в качестве удобрений осадков сточных вод также приводит к избыточному накоплению металла [Черных Н.А. и др., 1999]. В целом, глобальная годовая эмиссия кадмия из природных источников (пыль, лесные пожары, извержения вулканов) составляет 840 т [Nriagu J.O., 1979], а в результате хозяйственной деятельности человека - 7200 т [Мур Дж. В. и Рамамурти С, 1987].
В организм млекопитающих кадмий поступает в основном с кормом и водой. В зависимости от дозы и продолжительности воздействия металла отмечают высокую общую токсичность, эмбриотоксичность, генотоксич-ность и канцерогенность [Fernandez E.L. et al., 2003; Godt J. et al., 2006; Jarup L, 2002; Jiang G. et a!., 2008; Joseph P., 2009; Lau A.T.Y. and Chiu J.F., 2007; Valko M. et al., 2006; Waalkes M.P. et a!., 1999; Wang L et al., 2008]. Токсическое действие кадмия характеризуется нарушением структурно-функционального состояния клеток периферической крови и тканей органов, что в конечном итоге приводит к их гибели. В качестве одного из механизмов цитотоксического действия ионов металла рассматривают активацию процесса свободнорадикального перекисного окисления липи-дов (ПОЛ) [Franko R. et al., 2009; Kara H. et al., 2005; Thijssen S. et al., 2007; Yang M.S. et al., 2008]. Вместе с тем в клетках органов кадмий индуцирует синтез металлотионеинов, которые связывают ионы металла и действуют как ловушка для свободных радикалов [Beattie J.H.'et al., 2005; Brako E.E. et al., 2002; Klaassen CD. et al, 2009; Lynes M.A. et al., 2006; Miler E.A. et al., 2010; Park J.D. et al., 2001; Sabolic I. et al., 2010].
Основные закономерности ответной реакции организма млекопитающих получены при воздействии кадмия в больших дозах. Данные о биологических эффектах металла в малых дозах практически отсутствуют. Продемонстрирована высокая кумулятивная способность металла и возможность его попадания в ткани плода через плацентарный барьер, что может негативно влиять на состояние здоровья потомства в ряду поколений. В связи с этим актуальность исследования хронического воздействия кадмия в малых дозах не вызывает сомнений.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось изучение ответной реакции организма крыс первого и второго поколений на хроническое воздействие кадмия.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
оценить количество эритроцитов и лейкоцитов в периферической крови; содержание металлотионеинов в органах и малонового диальдеги-да (МДА) в плазме и эритроцитах, а так же синтез ДНК в тимоцитах крыс первого поколения (F,), подвергнутых хроническому воздействию кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития;
исследовать вышеперечисленные показатели у крыс первого и второго поколений, подвергнутых хроническому воздействию кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода развития:
. Основные положения, выносимые на защиту:
".- При хроническом воздействии кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза в организме крыс первого поколения формируются как адаптивно-защитные, так и негативные реакции.
.- Ответная реакция организма крыс второго поколения (F2) при хроническом воздействии нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза характеризуется развитием негативных реакций.
- Формирование адаптивно-защитных и/или негативных реакций при
хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в организм
крыс зависит от концентрации металла и длительности его поступления.
Научная новизна. Впервые показано, что ответная реакция организма крыс (F, и F2), подвергнутых хроническому воздействию нитрата кадмия в антенатальный и постнатальный периоды онтогенеза, характеризуется развитием адаптивно-защитных и/или негативных реакций.
Установлено, что хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 30 суток постнатального периода развития (молочное вскармливание) оказывает негативное влияние на крыс первого поколения (F,) в начальные сроки исследования. Обнаруженные изменения носили обратимый характер.
Хроническое воздействие нитрата кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза приводит к развитию адаптивно-защитных реакций организма крыс (F,) на 120-е сутки исследования, которое проявляется активацией синтеза ДНК в тимоци-тах, увеличением содержания металлотионеинов в печени и снижением уровня МДА в эритроцитах периферической крови. Последующее поступление металла с питьевой водой в концентрациях 0,05 и 0,1 мг/л в организм характеризуется формированием негативных реакций на клеточном уровне: отмечали ингибирование синтеза ДНК в тимоцитах и увеличение уровня МДА в эритроцитах периферической крови.
У крыс второго поколения (F2), подвергнутых хроническому воздействию кадмия в антенатальный и в течение 365 суток постнатального периода онтогенеза, наблюдали развитие только негативных реакций как на клеточном уровне (ингибирование синтеза металлотионеинов в клетках в печени и почках), так и в системе кроветворения (снижение количества лейкоцитов в периферической крови).
Формирование адаптивно-защитных и/или негативных реакций при хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в организм крыс (F, и F5) зависит от концентрации металла и длительности его поступления.
I Теоретическая и практическая значимость работы. Получены новые экспериментальные данные об ответной реакции организма крыс (F, и F2) линии "Вистар" при хроническом поступлении нитрата кадмия с питьевой водой в концентрациях 0j05 и ОД мг/л. Результаты работы позволяют понять молекулярно-клеточные механизмы действия кадмия и оценить степень реальной опасности металла при длительном хроническом воздействии на млекопитающих.
Данные диссертационной работы могут быть использованы при разработке санитарно-гигиенических нормативов и проведении экологического мониторинга.
Личный вклад диссертанта..Представленная работа является частью плановых исследований сектора №3 "Молекулярная биология сельскохозяйственных животных"(2005-2009 гг.), с личным вкладом в получении экспериментальных данных не менее 80%. Частично экспериментальные исследования выполнены при финансовой поддержке правительства Калужской области и Российского фонда фундаментальных исследований (Гранты № 02-04-96026; № 04-04-97217; № 09-04^7539). Автор принимал участие в постановке и проведении экспериментов, проводил статистическую обработку данных, анализировал и описывал полученные результаты, сформулировал основные положения и выводы.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международной научно-производственной конференции
"Актуальные проблемы ветеринарной патологии и морфологии животных", посвященной 100-летию со дня рождения профессора Авророва А.А. Воронеж, 2006; 3'" International Conference in Lithuania Metals in the environment. Vilnius, 2006; в научных трудах КФ МСХА имени К.А. Тимирязева. Калуга, 2006; "Актуальные проблемы экологии и природопользования", посвященной 50-летию РУДН Москва, 2010.
Материалы диссертационной работы, удостоены премии: Министерства экономического развития Калужской области по итогам конкурса научных работ молодых ученых (Калуга, 2006); Всероссийской общественной организации токсикологов за научно-исследовательскую работу среди молодых ученых (Москва, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, включенных в перечень периодических научных и научно-практических изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикаций основных результатов диссертационного исследования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, материала и методик исследования, трех разделов собственных исследований, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 109 машинописных страницах, иллюстрирована 2 таблицами и 36 рисунками. Список литературы содержит 176 источников, из которых 43 принадлежат отечественным и 133 иностранным авторам.
