Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор литературы 1 1
1.1 Окислительно-восстановительные процессы в живых системах 11
1.2 Роль свинца в физиологических и патологических процессах 23
1.3 Молекулярные механизмы повреждения функциональных систем клетки ионами металлов
ГЛАВА 2 Материал и методы исследования 36
2.1 Методы экспериментального моделирования 36
2.2 Методы физиологических исследований 39
2.3 Методы биохимических исследований 39
2.4 Методы морфологических исследований 41
2.5 Биофизический метод исследований .4 2
2.6 Физические методы исследований 44
2.7 Методы статистического анализа результатов исследований 51
ГЛАВА 3 Результаты собственных исследований. 52
3.1 Изучение этиологических факторов напряжения адаптивного потенциала организма рыб в акватории приплотинного участка Новосибирской гидроэлектростанции
3.2 Характеристика адаптивных органно-тканевых редокс-зависимых реакций организма осетра при моделировании колебаний гидротермического режима 74
3.3 Характеристика адаптивных органно-тканевых редокс-зависимых реакций организма осетра при воздействии ацетата свинца 108
Обсуждение результатов исследования 136
Заключение. 158
Выводы 162
Список сокращений и условных обозначений 163
Список литературы
- Молекулярные механизмы повреждения функциональных систем клетки ионами металлов
- Методы морфологических исследований
- Методы статистического анализа результатов исследований
- Характеристика адаптивных органно-тканевых редокс-зависимых реакций организма осетра при воздействии ацетата свинца
Введение к работе
Актуальность темы. Способность животных приспосабливаться
к изменению среды обитания является одним из фундаментальных свойств
организма, определяющих благополучие особи (Григорьян, Гуляева, 2015;
Сонькин, 2015; Welker et al., 2013; Tomanek, 2014). В изучении проблем
адаптации животных к действию факторов внешней среды особое внимание
уделяется редким и исчезающим видам рыб (Донченко и др., 2011; Журавлев,
2012; Белов, Заделенов, 2013; Ni et al., 2014; King et al., 2016). В настоящее
время сибирский осетр (Acipenser baerii Brandt, 1869) включен в Красную книгу
Российской Федерации, в Обском бассейне потерян как промысловый ресурс, и
восстановление его ареалов остается сложно разрешимой задачей (Красная
книга …, 2001). Зарегулирование рек плотинами гидроэлектростанций (ГЭС) и
попуски более теплой воды в зимне-весенний период из водохранилища
в нижний бьеф у зимующих рыб представляют фактор беспокойства и
вызывают напряжение функционального состояния органов, вовлеченных
в процесс адаптации (Савкин, 2000; Беркович и др., 2008; Жиленков, Ладенко,
2009; Лошенко и др., 2014а; 2016а; 2016б). Ценой такой адаптации является
перераспределение энергетических и трофических ресурсов организма между
обеспечением органами специфических функций и вынужденной реализацией
приспособительных реакций (Филаретова, 2010; Лошенко и др., 2016б). При
отсутствии возможности проведения исследований в природной среде на
сибирском осетре одним из методических подходов остается
экспериментальное изучение указанных процессов на данном виде рыб в условиях аквакультуры (Рубан и др., 2015; Popkov, 2014).
Считается, что в процессе развития адаптационного синдрома при
изменении параметров информационной среды тесно сочетаются
специфические и неспецифические ответные реакций организма (Baffy, Loscalzo, 2014; Gerhardsson, Kazantzis, 2015; Davies, 2016; Gorban et al., 2016). Влияние колебаний температурного режима и нагрузки организма катионами металлов на состояние редокс-чувствительных элементов, адаптивные возможности системы антиоксидантной защиты в тканевых компартментах центральных органов детоксикации и центральной нервной системы сибирского осетра остаются недостаточно изученными. Исследование механизмов поддержания и регуляции редокс-гомеостаза в органах физиологических систем рыб, вовлеченных в приспособительные реакции организма, дает возможность определения временных границ развития адаптации, наступления дезадаптации и подойти к решению проблемы научно обоснованного управления данными процессами.
Целью работы явилось изучение состояния редокс-гомеостаза у сибирского осетра при экспериментальном моделировании колебаний гидротермического режима и нагрузки организма катионами свинца.
Задачи исследования:
-
Изучить этиологические факторы напряжения адаптивного потенциала организма рыб в акватории приплотинного участка Новосибирской гидроэлектростанции.
-
Исследовать роль активных метаболитов кислорода и системы антиоксидантной защиты в реализации адаптивных органно-тканевых редокс-зависимых реакций организма осетра при моделировании колебаний гидротермического режима среды обитания.
-
Выяснить роль активных метаболитов кислорода и системы антиоксидантной защиты в реализации адаптивных органно-тканевых редокс-зависимых реакций организма осетра при его экспонировании ацетатом свинца.
-
Оценить возможность использования антиоксиданта «Тиофан» для управления неспецифическими и специфическими реакциями в организме сибирского осетра при экспериментальном моделировании колебаний температурного режима среды обитания и экспериментальной нагрузке ацетатом свинца.
Научная новизна. Впервые установлены сезонные особенности
распределения ионов металлов в поверхностных водах акватории
приплотинного участка Новосибирской ГЭС и пространственно-временные
характеристики неустойчивого гидротермического режима акватории,
представляющие этиологические факторы напряжения адаптивного потенциала у рыб. В серии аквариальных экспериментов на сеголетках сибирского осетра воспроизведено действие на них факторов среды обитания, выявленных на приплотинном участке Новосибирской ГЭС. Дана оценка влияния факторов среды на состояние редокс-гомеостаза и адаптивный потенциал органов, вовлеченных в приспособительные реакции осетра.
Изучено влияние колебаний гидротермического режима и превышения уровня содержания ацетата свинца в водной среде на показатели нейропластичности, реализацию двигательной активности и поискового поведения осетров. Представлена морфофункциональная характеристика клеток переднего мозга, печени и почек сибирского осетра в условиях адаптации к изменению параметров информационной среды.
Оценена эффективность использования антиоксиданта «Тиофан» для управления неспецифическими и специфическими реакциями в организме сибирского осетра при экспериментальном моделировании колебаний температурного режима среды обитания и экспериментальной нагрузке ацетатом свинца.
Теоретическая и практическая значимость работы. Выявлено наличие локального загрязнения зарегулированного русла реки Обь ионами свинца, меди и марганца. Показано, что повышение их уровня в водной среде ограничено пространственными рамками акватории приплотинного участка Новосибирской ГЭС и весенним периодом, совпадающим с напряжением функциональной активности физиологических систем рыб, обеспечивающих естественное воспроизводство.
Установлено, что изменение параметров информационной среды обитания
осетров через свободнорадикальный механизм опосредуют нарушение редокс-
гомеостаза в клетках печени, почек и снижение эффективности реализации
нейрофизиологических процессов на молекулярно-генетическом, клеточном и
онтогенетическом уровнях. Обоснована целесообразность применения
антиоксиданта «Тиофан» для регуляции редокс-гомеостаза у сеголетков сибирского осетра при колебаниях гидротермического режима, нагрузке организма ацетатом свинца и для управления механизмами детоксикации при повышении уровня катионов свинца в водной среде.
Положения, выносимые на защиту:
-
Пространственно-временные параметры изменения элементного состава среды обитания рыб, локальное загрязнение акватории приплотинного участка Новосибирской гидроэлектростанции ионами свинца, меди, марганца совпадают с преднерестовым, нерестовым периодами промысловых рыб и, в совокупности с колебаниями гидротермического режима в зимний и весенний периоды, определяют перенапряжение функциональной активности органов, вовлеченных в процесс адаптации.
-
Нарушение редокс-гомеостаза в тканях центральных органов детоксикации, центральной нервной системы сибирского осетра при моделировании 30-суточных колебаний гидротермического режима среды их обитания и превышение допустимого содержания ионов свинца в воде определяют перенапряжение функциональной активности системы антиоксидантной защиты и структурно-функциональные нарушения печени, почек и головного мозга.
-
Антиоксидант «Тиофан» является эффективным средством специфической и неспецифической защиты организма сибирского осетра при экспериментальном моделировании 30-суточных колебаний гидротермического режима и его нагрузке ацетатом свинца, обеспечивает поддержание редокс-гомеостаза в тканевых компартментах органов, вовлеченных в процесс адаптации рыб при изменении параметров информационной среды.
Степень достоверности и апробация результатов. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 13 конференциях всероссийского и международного уровней.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Реализация результатов исследования. Основные результаты
диссертационного исследования используются в практической работе
Новосибирского филиала ФГБУ «Верхнеобьрыбвод» (г. Новосибирск)
при мониторинге и оценке состояния водных биологических ресурсов.
Использование антиоксидантных соединений для снижения уровня
липопероксидации в организме осетра внедрено в практику
специализированного предприятия по воспроизводству водных биоресурсов ООО «Малтат» (Красноярский край). Материалы работы используются при чтении лекций и проведении лабораторно-практических занятий по дисциплине «Физиология человека и животных» на кафедре анатомии, физиологии и безопасности жизнедеятельности ФГБОУ ВО «НГПУ».
Структура и объем диссертации. Общий объем диссертации составляет 249 страниц. Из них 144 страницы занимает печатный текст, который включает введение, обзор литературы, описание материалов и методов исследования, результаты собственных исследований и их обсуждение, заключение и выводы. Список сокращений и условных обозначений, список литературы (203 источника, из них 59 – зарубежных авторов), 18 рисунков и 13 таблиц, а также 6 приложений изложены на 105 страницах.
Личный вклад автора. Весь объем работ по набору, анализу и обобщению экспериментального и теоретического материалов был проведен автором самостоятельно. Соавторы опубликованных работ оказывали консультативную и техническую помощь, за что выражаю им глубокую благодарность.
Благодарности. Работа выполнена в ФГБОУ ВО «НГПУ» в рамках
научно-технического сотрудничества с ФГБУ «Верхнеобьрыбвод»,
специализированным предприятием по воспроизводству водных биоресурсов ООО «Малтат», ФГБУН «Институт химической биологии и фундаментальной медицины» СО РАН (ИХБФМ СО РАН). Автор приносит искреннюю благодарность коллегам из указанных учреждений.
Молекулярные механизмы повреждения функциональных систем клетки ионами металлов
Большинство функционально значимых для биологической системы процессов осуществляется посредством реализации физико-химических механизмов (Григорьян, Гуляева, 2015). При этом физические механизмы объясняют события, связанные с переносом электронов, а химические – главным образом, течение окислительно-восстановительных реакций. Среди последних распространенными и наиболее важными являются ферментативные реакции окисления углеводов, липидов и аминокислот, протекающих в клетках различных тканей и органов (Луцкий и др., 2014). С их ролью, прежде всего, связывают процессы синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и участие во внутриклеточных и внеклеточных процессах трансдукции сигналов. В ходе окислительно-восстановительных реакций (редокс-реакции) вещества, атомы или ионы, которые принимают электроны, принято называть окислителями, а те, которые отдают электроны, называются восстановителями. Эта характеристика необходима для уточнения формулировок и терминов, которые используются при анализе и обсуждении полученных результатов исследований. В связи с этим, под окислителями в биологических системах понимаются различные продукты метаболизма кислорода или активные метаболиты кислорода (АМК). В качестве восстановителей в живых системах понимаются полярные и неполярные антиоксидантные соединения, большинство из которых участвуют в реакциях переноса электронов.
Анализ публикаций, посвященных изучению окислительно восстановительных процессов в живых системах, позволяет считать, что в последнее десятилетие в литературе сложилось достаточно устойчивое представление о преимущественно деструктивной роли окислительных процессов, приводящих к развитию патологий. Вместе с тем, развитие научных направлений в области свободнорадикальной биологии позволило накопить фактический материал, позволяющий рассматривать окислительные процессы не только с точки зрения их участия в патологических процессах. В современном понимании без участия окислительных процессов не возможно течение большинства физиологических процессов. Роль АМК в обеспечении физиологических процессов в клетках всех аэробных живых организмов достаточно широко освещена в литературных источниках (Донцов и др., 2006). В настоящее время накоплены данные, которые показывают, что превышение уровня окислительных процессов с участием АМК происходит как при повышении уровня метаболических процессов, пролиферации и дифференцировки клеток. В публикации Ю. А. Лабаса с соавторами (2010), отмечается, что высокий уровень окислительных процессов изменяет активность практически всех классов сигнальных молекул, обеспечивающих реализацию внутриклеточных процессов трансдукции. В контексте выполнения настоящего диссертационного исследования особого внимания заслуживает информация относительно высокой роли окисления органических молекул в передаче внутриклеточных сигналов. По мнению цитируемых авторов, изменение уровня окислительно-восстановительных процессов опосредует изменение активности белков ферментов (фосфолипаз, протеинкиназ), липидного состава мембран, ионных каналов и насосов. Через их влияние на регуляторную часть генов изменяют процессы экспрессии (Владимиров, 2000; Степаненко, 2004).
Установлено, что интимные механизмы приспособительных реакций опосредуются путем активации «редокс-чувствительных» транскрипционных факторов. В исследованиях Г. Г. Мартиновича и С. Н. Черенкевича (2008) показана важная роль окислительных процессов в защите клеток различных органов в процессах адаптации при воздействии факторов внешней среды. К числу наиболее важных принадлежат факторы транскрипции NF-kB, p53, AP-1, Nrf2, приводящие к экспрессии генов, обеспечивающих выживание клеток в экстремальных условиях, апоптоз и развитие воспаления (Турпаев, 2002). Считается, что АМК и продуктам перекисного окисления липидов принадлежит роль универсальных индукторов регуляции редокс-баланса в клетках различных органов в ответ на стрессовые воздействия (Степаненко, 2004).
На молекулярно-генетическом, клеточном и тканевом уровнях существует сложная система регуляции редокс-гомеостаза, которая представлена прооксидантными и антиоксидантными соединениями. В ответ на возмущающее воздействие факторов внешней среды они оказывают либо стимулирующие или ингибирующее действие на окислительные процессы. Необходимо четкое понимание, что лишь в случае превышения уровня окисления и депрессии системы антиоксиантной защиты развивается окислительный стресс и повреждение органических молекул. Таким образом, не всякое превышение окислительных процессов обозначается как окислительный стресс (Sies, Jones, 2007).
Среди всего многообразия реакций повреждения АМК органических соединений можно выделить три главных механизма. Первый связан с атакой О-2, .. ОН и NO металлсодержащих белков. Как известно, атомы металлов переменной валентности имеют на внутренних атомных орбиталях не прочно связанные электроны, вследствие чего являются мишенями для АМК. У последних не заполнены внешние орбитали и они стремятся либо захватить, либо отдать электрон. Второй механизм связан с окислением SH-содержащих аминокислотных остатков метионина или цистеина в белках с последующим превращением их в сульфеновую, либо сульфиновую или сульфоновую кислоты. В последнем случае результатом реакции явится необратимая модификация белка. Третий определяет реакции свободнорадикального перекисного окисления главным образом полиненасыщенных жирных кислот (Донцов и др., 2006; Лабас и др., 2010). В процессе свободнорадикального окисления липидов (СПОЛ) образуются перекисные соединения, оказывающие цитотоксический эффект (Луцкий и др., 2014).
В химическом отношении СПОЛ является вырожденно-разветвленным цепным процессом, который включает стадии инициирования, развития цепей окисления, разветвление и обрыв цепей. Их механизмы достаточно широко освещены в литературе и в рамках настоящего обзора литературы не требуют подробного описания.
Вместе с тем, требуется отметить, что действие факторов внешней среды приводит к развитию неспецифических ответных реакций в форме повышения уровня активности СПОЛ с последующим повреждением билипидного слоя плазматической мембраны и мембранных органелл. Наиболее ярко влияния СПОЛ проявляется в отношении нарушение структуры мембран митохондрий с последующим развитием дефицита синтеза АТФ, изменением энергозависимых процессов трансмембранного переноса низко- и высокомолекулярных соединений (Lukyanova, Kirova, 2015). В большинстве случаев это ведет к увеличению трансмембранного переноса катионов через плазматическую мембрану, нарушению водно-ионного гомеостаза с развитием гидропической дистрофии и в терминальной стадии колликвационного некроза (Frei et al., 1993; Loshenko et al., 2014; Davies, 2016).
Методы морфологических исследований
В классическом варианте для большинства представителей тиоловых ядов в основе механизма интоксикации лежит, во-первых, способность подавлять окисление пировиноградной и -кетоглутаровой кислот за счет связывания SH групп дигидролипоилдегидрогеназы. Во-вторых, способность нарушать транспорт неорганического фосфата через мембрану митохондрий (Хавинсон и др., 2003). Установлено, что Pb в митохондриях не только печени, но и почек, вступает в конкурентные взаимоотношения с неорганическим фосфатом. При его отсутствии Pb полностью ингибирует дыхание уже в концентрации 0,2 ммоль (Liu et al., 2015).
В связи с тем, что интерес соискателя не ограничивается исключительно изучением влияния Pb на ткани рыб, а особое внимание уделяется анализу распределения в поверхностных водах акватории приплотинного участка Новосибирской ГЭС биогенных катионов, которые могут оказывать токсическое действие на организм рыб, существует необходимость кратко остановиться на роли других элементов в механизмах нарушения структуры и функций системы энергообеспечения клетки.
Доказано, что среди прочих металлов Zn в физиологических концентрациях участвует в регуляции процессов дыхания и, вместе тем, обладает высокоспецифичным ингибиторным действием на различные участки дыхательной цепи митохондрий (Liu et al., 2015; Lukyanova, Kirova, 2015). В основе молекулярных механизмов влияния Zn на работу митохондрий лежит его действие лишь в одной точке дыхательной цепи, расположенной между цитохромами. Считается, что именно здесь происходит ингибирование переноса электронов.
Другая точка приложения многих металлов и неорганических соединений локализована в цитохромоксидазном звене дыхательной цепи митохондрий. В основе повреждающего действия металлов, опосредованного через систему энергообеспечения клетки, лежит представление о высоком тропизме катионов к фосфатным группам аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и физико-химической устойчивости комплекса металл-фосфатная группа. Доказано, что практически все металлы могут конкурировать за места связывания в фосфатных группах с катионами жесткого класса А, к которому относятся такие биогенные ионы, как Са и Mg. В связи с тем, что Со, Cd, Pb, Mn обладают большим сродством к фосфатному лиганду АТФ, чем Mg, они вызывают диссоциацию комплекса Mg-ATФ и образуют такого же типа хелатный комплекс Ме-АТФ, который, однако, не может обеспечить эффективную работу ионных насосов (Биогенные элементы …, 2009; Пирогова, 2011).
Кроме изложенных механизмов, в литературных источниках рассматривается иные механизмы митохондриальных эффектов металлов. Одним из важных, но незаслуженно слабо освещенных в специальной литературе, является механизм участия тяжелых металлов в развитии окислительного стресса. Он опосредован нарушением глутатион-зависимого баланса тиолы/дисульфиды и усилением СПОЛ мембран. В основе цитофизиологического механизма повреждения митохондрий и, следовательно, дефицита АТФ лежит свободнорадикальное повреждение липидов мембран данной оргнанеллы, приводящее к нарушению гомеостаза Са2+. Как известно, избыток данного катиона в цитоплазме приводит к запуску Са2+-зависимых протеаз, нуклеаз, липаз и вторичному повреждению всех органелл клетки. Кроме того, СПОЛ вызывает повреждение белков мембран и инактивацию Са- и Mg-АТФаз, вследствие окисления SH-групп данных транспортеров с последующим нарушением митохондриальных функций клеток различных организмов. Этот механизм особенно характерен для ионов таких металлов, как Hg2+, Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, обладающих высоким сродством к SH-группам различных белков (Пирогова, 2011; Liu et al., 2015).
Одним из важных элементов действия тиоловых ядов, нарушающих течение физиологических процессов, является изменение ими проницаемости клеточных мембран (Крюков, 2010). Обобщая все многообразие теоретического материала по вопросу влияния металлов на рецепторно-барьерно-транспортную систему клетки, можно выделить два основных механизма. Первый обусловлен прямым повреждением металлами плазматической мембраны; второй механизм связан с реализацией СПОЛ (Клетки, 2011).
В отношении первого механизма это достаточно убедительно показано на примере влияния различных металлов на плазматическую мембрану эритроцитов. Как показывают исследования, гемолиз эритроцитов обусловлен дестабилизацией липопротеиновых комплексов плазматической мембраны данных клеток и изменением их конформации вследствие блокирования металлами ее SH-группировок. Считается, что результатом прямого повреждения данной функциональной системы клеток металлами является изменение кроме осмотической, так же кислотной, щелочной и сапониновой резистентности эритроцитов (Frei et al., 1993; Navarro et al., 1999).
Второй молекулярный механизм повреждения данной функциональной системы клетки связан с повышением активности свободнорадикальных процессов. Для таких металлов, как Со, Cd, Pb, Mn, Ni, эти механизмы расшифрованы и достаточно хорошо описаны в литературных источниках (Чистяков, 2011). В целом, анализируя их на примере Ni2+, высокий уровень пероксидации липидов и, как следствие, свободнорадикальное повреждение плазматической мембраны могут развиваться по следующим основным направлениям. Первое определяется участием данного катиона в конкурентном замещении, например Fe и Cu, в ферментах, обеспечивающих синтез структурных компонентов мембраны. Следует отметить, что недостаточность Cu в организме нередко носит вторичный характер вследствие того, что Zn конкурентно снижает ее поглощение, либо ионы Cu связываются молибдатом в инертный комплекс (Петухов и др., 2012). Второе направление объясняется конкурентным замещением Fe, Mn и Cu, входящих в состав активных центров ферментов АОЗ – каталазы (КАТ), супероксиддисмутазы (СОД), глутатионпероксидазы (ГП) – одним из перечисленных выше катионов. Третье направление связано с участием металлов переменной валентности в образовании свободных радикалов (реакции Фентона и Габера-Вайса). Четвертое обусловлено участием металлов в усилении аутокаталитического переокисления полиеновых жирных кислот. Необходимо признать, что все представленные направления в общем механизме свободнорадикального повреждения рецепторно-барьерно-транспортной системы клетки не взаимо исключают друг друга и могут чередоваться (Каган и др., 1986; Schmitt et al., 2005).
Методы статистического анализа результатов исследований
Обоснование необходимости изучения возможности массового поступления аккумулированного за зимний период Pb в ограниченный участок нижнего бьефа Новосибирской ГЭС со снеговыми талыми водами основывается на предположении о влиянии на организм рыб в качестве этиологического фактора напряжения адаптивного потенциала органов, вовлеченных в процесс адаптации к нагрузке данным катионом.
Анализ фактического материала, представленного на рисунке 6, позволяет сделать заключение о том, что с конца января по март 2013 г. в пробах снежного покрова происходит увеличение содержания ионов Pb, и эти значения превышают ПДК. Кроме того, достоверное превышение данного показателя в пробах снежного покрова вдоль автомагистрали плотины по сравнению с образцами фоновой территории указывает на формирование локального участка загрязнения приплотинной территории ионами Pb.
На рисунке 7 представлена информация о распределении данного металла в образцах поверхностных вод исследуемой акватории реки Обь по месяцам на протяжении календарного года. Полученные результаты в графическом варианте удачно демонстрируют состоятельность приведенного выше заключения. Пики превышения содержания Pb в заводях и карманах деформированного русла реки Обь приходятся на конец апреля – начало мая, что совпадает с активным таянием снега и поступлением данного металла с талыми водами в акваторию приплотинного участка. Дифференцированный уровень содержания Pb в основном русле и заводях реки может объясняться особенностями перемещения масс воды в пределах основного русла реки и деформированного русла вследствие изменения гидрологического режима реки, подвергшейся антропогенному воздействию в результате строительства ГЭС.
Считается, что в русле, по сравнению с нерусловым потоком, уменьшается потеря энергии, затрачиваемая на перемещение массы воды (Шарифуллин, Марадиханов, 2012). В заводях реки, по сравнению с руслом, снижается интенсивность выноса продуктов выветривания и транспорта наносов частиц. С нашей точки зрения, на фоне развития эрозионно-аккумулятивного процесса осуществляется повышенный перенос и осаждение Pb в заводях по сравнению с руслом реки. Отсутствие превышения содержания Pb в поверхностных водах русла реки можно объяснить его рассеиванием в результате высокой скорости течения масс воды перемещающихся через гидравлический узел плотины. Повышенное накопление Pb на участках морфологически измененного русла реки и, вероятно, его перераспределение в воде и донных отложениях, по нашему мнению, оказывают серьезное влияние на организм рыб. Важно отметить, что повышенное поступление Pb в акваторию приплотинного участка совпадает с преднерестовым и нерестовым периодами преимущественного большинства видов рыб. Несмотря на то, что содержание Pb в поверхностных водах русла реки Обь не превышает ПДК (0,006 мг/дм3), его высокие значения и известные представления о нем как классическом тиоловом яде наводят на мысль о его негативном влиянии на состояние физиологических систем организма рыб.
Анализ полученной информации позволяет сделать важное заключение о том, что в пробах поверхностных вод, полученных на участках карманов русла реки, где имеются заводи и течение снижено относительно основного русла, содержание Pb превышает исследуемый показатель образцов воды, полученных на участках русла реки с высокой скоростью течения. Вероятно, этим объясняется отсутствие в открытых источниках информации сведений относительно превышения содержания Pb в поверхностных водах приплотинного участка Новосибирской ГЭС. Необходимо признать, что выявление этого катиона исключительно в пробах воды может лишь косвенно указывать на его способность в различной степени накапливаться в тканях рыб. Можно полагать, что в акватории русла Оби с высокой и низкой скоростью течения, а, следовательно, на участках с большей или меньшей степенью рассеивания металла в воде его содержание в тканях рыб должно быть различным.
Для доказательства наличия в акватории приплотинного участка мест относительного благополучия и локального загрязнения Pb в настоящем исследовании был использован следующий подход. Особенности биологии карповых позволяют широко использовать данный вид для оценки состояния водных экосистем локальных акваторий. В связи с тем, что лещ, как типичный представитель данного вида, широко распространен в акватории приплотинного участка и не совершает отдаленных миграций, его выбрали для мониторинга в качестве наиболее подходящего биоиндикатора. В рамках договора о научно-техническом сотрудничестве с ФГБУ
«Верхнеобьрыбвод» были получены и проанализированы образцы тканей леща относительно равной возрастной группы, добытых в карманах русла реки Обь и заводях приплотинного участка с глубины более 2-х метров, а также и лещей аналогичной возрастной группы с признаками заболевания лигулезом. Данное заболевание обусловлено заражением паразитическими гельминтами семейства Ligulidae Claus (1885), паразитирующими в забрюшинном пространстве. Механическое воздействие плероцеркоидов ремнецов (Ligula intestinalis Linnaeus, 1758) на плавательный пузырь не позволяет рыбам погружаться на глубину и, следовательно, их жизнедеятельность происходит исключительно в поверхностных водах пелагиали реки (Извекова, 2010). Следствием чего является отсутствие возможности у пораженных лигулезом особей осуществлять питание в придонных слоях воды бентосными животными. Результаты исследования, представленные на рисунке 8, дают основание утверждать, что содержание Pb в тканях лещей, способных вести придонный образ жизни, включающий добычу пищи из бентоса, достоверно превышает показатели содержания Pb в почках, печени, головном мозге и кишечнике лещей, больных лигулезом, питающихся преимущественно фито- и зоопланктоном в эпипелагиали. Отсутствие различий в содержании ионов Pb в коже рыб исследуемых групп может объясняться ключевой ролью протогликанов слизи в защите организма рыб от отравления тиоловыми ядами. Наличие в структуре протогликанов отрицательно заряженных гидроксильных группировок ГАГ, расположенных на концевых участках их молекул, обеспечивает взаимодействие с положительно заряженными ионами Pb. Судя по фактическим данным, более высокий уровень Pb в коже леща без признаков заболевания лигулезом объясняется необходимостью более интенсивного синтеза клетками кожи рыб протогликанов слизи.
Характеристика адаптивных органно-тканевых редокс-зависимых реакций организма осетра при воздействии ацетата свинца
Влияние колебаний гидротермического режима, характерных для акватории приплотинного участка Новосибирской ГЭС, моделировали в серии аквариальных экспериментов. Реакцию организма осетра на данное воздействие оценивали по одному из интегральных показателей обменных процессов – содержанию ионов NH4+ в водной среде. Ионы NH4+, как известно, являются конечными продуктами азотистого обмена и могут рассматриваться в качестве интегрального показателя напряженности катаболизма у рыб. В связи с тем, что в данном процессе происходит окисление органических молекул, в том числе с участием АМК, проверку возможности управления этими реакциями в организме рыб осуществляли путем влияния антиоксиданта «Тиофан» на окислительно-восстановительные реакции.
Результаты исследования показали, что при экспериментальном моделировании колебаний гидротермического режима в течение 30 суток наблюдения установлена четкая закономерность изменения содержания NH4+ в водной среде рыб обеих опытных групп по сравнению с контролем. У рыб первой опытной группы содержание NH4+ в воде превышало данный показатель рыб контрольной группы в течение всего срока эксперимента. На рисунке 12 отражена динамика изменения содержания ионов NH4+ в воде на протяжении 30-ти суток. Анализ результатов, представленных на рисунке 12, позволяет считать, что в течение первых 3-х суток эксперимента увеличение NH4+ в воде не имеет достоверных различий с контролем. В промежутке от 5 суток до 21 отмечается повышение значений данного показателя, которое на линейной диаграмме формирует плато. На рисунке 12 отчетливо заметно, что на протяжении от 21 до 30 суток наблюдения содержание NH4+ в воде превышает контрольные значения более чем в три раза.
Полученные результаты позволяют сделать важное заключение
о превышении уровня метаболизма у рыб первой опытной группы по сравнению контрольной группой. В этой связи логично предположить, что высокий уровень метаболизма у рыб, находящихся в условиях колебания гидротермического режима, должен обеспечивать высокие темпы роста, либо направляться на обеспечение процессов приспособления к меняющимся условиям среды. Анализ фактических данных массы тела рыб и их краниокаудальных размеров на 30-е, сутки эксперимента показывает, что колебания температурного режима приводят к достоверному снижению массы тела осетров первой опытной группы по сравнению с контролем, на 8,2% и длины тела – на 4,6% соответственно (рисунок 13).
Полученные данные позволяют вполне обоснованно утверждать, что колебания гидротермического режима среды обитания рыб сопряжено с изменением уровня метаболических процессов. Судя по содержанию ионов NH4+, которые были исследованы в образцах воды, полученных из бассейнов, изменение уровня метаболизма в целом напоминает графическое отображение последовательного развития стресс-реакции в классическом варианте по Селье (рисунок 12) (Филаретова, 2010). В течение первых 3-х суток повышение уровня метаболизма, хотя и не имеет достоверных различий, вместе с тем пики показателей указывают на увеличение метаболических процессов у рыб первой опытной группы по сравнению с контрольной. На рисунке 12 этот период наблюдения напоминает стадию тревоги по Селье. Можно полагать, что последующий временной период исследования, связанный с формированием плато, обеспечивается адаптивным участием различных систем организма рыб к изменению физических параметров среды обитания. Безусловно, это требует перераспределения энергетических и трофических ресурсов. Данный отрезок времени, с нашей точки зрения, совпадает с периодом резистентности, или адаптации по Селье. Вероятно, в условиях хронического эксперимента и продолжающего действия колебаний температурного режима обеспечение основных процессов жизнедеятельности в этих условиях достигается более высоким уровнем метаболизма, что отчетливо заметно на рисунке 12. Судя по показателям краниокаудальных размеров и массы тела рыб, ценой адаптации к изменению факторов среды обитания является перераспределение метаболических процессов не на обеспечение роста, а, вероятно, на синтез биологически активных соединений, обеспечивающих поддержание гомеостаза в организме рыб. При напряжении метаболизма в условиях действия неблагоприятного фактора, каким является изменение температурного режима среды обитания, в качестве неспецифической реакции организма важная роль, как мы полагаем, может принадлежать свободнорадикальному механизму. Объяснение снижения краниокаудальных размеров рыб, подвергавшихся многократной тепловой нагрузке, по сравнению с контролем, может основываться на высокой чувствительности клеток хрящевой ткани осевого скелета осетров к АМК. Считается, что хрящевая ткань является «мишенью» для АМК в связи с эволюционно закрепившимися особенностями метаболизма клеток хондрогенного дифферона и низким уровнем экспрессии хондроцитами и хондробластами ферментов АОЗ. Для доказательства связи напряженности метаболизма при колебании гидротермического режима с напряжением окислительных процессов нами был использован метод определения первичных и вторичных продуктов СПОЛ в тканях жизненно важных органов осетров всех групп. Кроме того, для оценки роли свободнорадикальных процессов в обеспечении механизмов приспособления организма рыб к изменяющимся факторам окружающей среды использовали метод доказательства от обратного. Данный подход основывался на изучении возможности управления свободнорадикальными процессами в организме рыб путем воздействия антиоксидантом «Тиофан».