Биохимическая индикация состояния рыб

2 Принцип исследования комплекса органов рыб и других гидробионтов. Изменение биохимического статуса разных органов при воздействии на организм различных факторов среды неоднозначно. Поэтому при проведении эколого-биохимического мониторинга необходимо на первых порах использовать максимально возможное число органов рыб для того, чтобы отобрать наиболее показательное и реагирующее на действующие факторы среды. Наибольший интерес, обычно представляет печень, как орган, где происходит детоксикация ксенобиотиков, особенно важны в этом плане ферменты, участвующие в процессах детоксикации чужеродных веществ и некоторых собственных метаболитов.

3 Онтогенетический принцип. Повреждающее действие факторов среды (имеются в виду прежде всего токсические вещества антропогенного происхождения) в значительной степени зависит от этапа развития организма, поэтому при эколого-биохимическом мониторинге необходимо это учитывать.

4 Принцип комплексности тестов заключается в том, что для избежание ошибок при интерпретации данных, что особенно важно при диагностике и оценке хронических и слабых токсикогенных воздействий на гидробионтов, нужны не отдельные, пусть даже достаточно чуствительные биохимические тесты, а система тестов, в которой изменение каждого показателя было бы логически, исходя из современных представлений о схеме метаболических путей, связано с теоретически ожидаемым изменением других показателей. Этот подход не только служил бы внутренним контролем получаемых данных, но и позволил бы вскрыть механизм и направление биохимических изменений.

5 Принцип биохимической диагностики обеспечивает идентификацию действующих факторов. Система биохимических тестов, применяемых в эколого-биохимическом мониторинге, как и в медицине, должна ответить на вопрос, какого рода фактор действует на водные организмы.

6 Принцип адекватности методов задачам эколого-биохимического мониторинга.

Эколого-биохимический мониторинг используется для контроля биохимического состояния гидробионтов в естественной для них среде - в водоеме. Поэтому методы, применяемые для этих целей, должны соответствовать решению двух задач: оперативного получения результатов биохимических анализов в полевых условиях, что может определить последующие методы мониторинга, и фиксации материала в полевых условиях, и доставки его в лабораторию для последующего анализа.

3. РОЛЬ ЛИЗОСОМАЛЬНЫХ ФЕРМЕНТОВ В ЭКОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИХ АДАПТАЦИЯХ РЫБ К ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ФАКТОРАМ СРЕДЫ

3.1 Участие лизосомальных ферментов в адаптациях рыб к температуре среды

Материалы, представленные в этом подразделе, демонстрируют возможность использования изменяющихся биохимических показателей в качестве тестов при индикации состояния рыб и других гидробионтов, а также при оценке экологической ситуации в водоеме. Подробно излагаются сведения по адаптациям на уровне ферментов, поскольку именно в этой области имеется наибольший опыт исследований.

Любая сторона жизнедеятельности живого организма испытывает влияние множества абиотических и биотических факторов, таких как освещенность и долгота дня, температура, минеральный и газовый состав среды, характер грунтов и течений, качественный состав и количество пищевых объектов, взаимоотношения с особями своего вида и другими организмами и т.д.

Например, при колебаниях температуры в среде обитания изменяется скорость отдельных ферментативных реакций, а в результате этого и общая интенсивность обмена веществ у изучаемых животных. Как правило, при повышении температуры биохимические реакции ускоряются, а при понижении замедляются. Интенсивность этих изменений не одинакова, акклиматизация к тем или иным температурам связана с дифференциальными эффектами в различных ферментативных системах. Любое температурное воздействие отражается на состоянии лизосомального аппарата животных.

Рассмотрим влияние температуры в аквариальных экспериментах. Для выявления особенностей в механизмах температурных адаптаций было проведено сравнительное изучение ферментных систем лизосом к разных по экологии рыб - теплолюбивого карпа и холоднолюбивой радужной форели. Как известно, эти виды обладают неодинаковыми способностями адаптироваться к различным диапазонам температур.

Результаты опыта показывают, что при тепловой акклиматизации у радужной форели в печени происходит некоторое снижение активности лизосомальных фосфатазы, РНКазы и бетта-глюкозидазы, а в других органах (мышцах, почках, селезенке) повышение внешней температуры вызвало рост активности лизосомальных гидролаз.

Сопоставление полученных в результате эксперимента данных позволяет сделать заключение о существовании одинаковой направленности в изменении общей активности лизосомальных ферментов в одноименных органах у разных видов животных при температурной адаптации.

Температура окружающей среды в значительной степени определяет интенсивность метаболических процессов в организме рыб как пойкилотермных животных, для которых ведущим параметром в поддержании гомеостаза является сохранение жизнедеятельности в условиях низких температур. Известно, что в течении года температура водоема значительно изменяется. Эти колебания быстро передаются биохимическому аппарату клеток рыб и сказываются, прежде всего, на скорости и интенсивности реакций метаболизма.

Особенно велико значение температурного режима для рыб на ранних этапах развития. Так, развитие лососевых рыб в эмбриональный период определяется в первую очередь температурным фактором, чем южнее место обитания лосося, тем раньше наблюдается выход личинок из бугров.

В дальнейшее темпы роста молоди атлантического лосося, их способность переходить в миграционное состояние прямо зависят от длительности периода с оптимальными температурами.

В зависимости от климатических условий региона речной период молоди лосося может варьироваться от одного до семи лет. Количество дней с оптимальной для роста и развития рыбы температурой за весь речной период должно составить в сумме девять месяцев. При понижении или повышении температуры рост и развитие лосося значительно замедляется.

Н.Н. Наумовой и Р.У. Высоцкой [13] предоставлены результаты экспериментов, проведенне на Кемском рыбоводном заводе по изучению влияния температуры воды в период выдерживания и подращивания личинок на некоторые биохимические показатели, в том числе и на активность и кислость фосфатазы.

Полученные в результате эксперимента данные отражают своеобразие реакции лизосомального аппарата развивающегося организма на воздействие экстремальных температурных условий. Эта реакция зависела от вида рыбы, этапа ее развития и специфики действия изучаемой ферментной системы.

Рассмотрим влияние и сезонную динамику лизосомальных ферментных систем. Вопрос о температурных адаптациях рыб теснейшим образом связан с сезонными колебаниями метаболизма, для пойкилотермных животных. Именно температура является ведущим фактором, определяющим ритмичность биологических процессов.

В течении года температура в водоемах значительно изменяется. Н.Н. Наумовой и Р.У. Высоцкой было произведено изучение динамики активности лизосомальных ферментов у пяти видов рыб (форели, сига, окуня, щуки, налима), находившихся в естественных условиях. Исследование показало, что в зимне-весенние месяцы общая активность лизосомальных ферментов в печени рыб была в 2 - 4 раза больше, чем в летние.

Ими же затрагивается вопрос о влиянии температуры на активность ферментов в ходе зимовки рыб. Это особенно необходимо учитывая, что в жизненный цикл некоторых видов рыб, например, карповых, включен этап, который называется «зимовка».

Гибель молоди карпа в зимовальный период, как показывают исследования, в значительной степени является результатом физиолого-биохимической неподготовленности ее к зимовке, хотя непосредственная причина ее гибели - неподходящие условия зимовки.

Н.Н. Наумовой и Р.У. Высоцкой была проведена экспериментальная работа на базе ВНИИ прудового рыбного хозяйства, для того, чтобы выявить биохимическое своеобразие реакции организма молоди карпа на отдельные экстремальные факторы во время зимовки.

Полученные данные позволили сделать вывод об активном участии лизосом в биохимической адаптации организма рыбы к меняющейся температуре среды, о включении их на определенном этапе адаптивных перестроек в механизмы регуляции ферментативных реакций. Выяснилось, что у холодноводной радужной форели и обитающего в теплых водах карпа механизмы адаптации к температуре одинаковы. Существует тканевая специфичность адаптивных перестроек ферментов в реакции. Адаптивные преобразования в клетке осуществляются, как за счет количественных изменений содержания ферментов, так и за счет регуляции качественного состава их изоформ.

3.2 Влияние гипоксии на активность лизосомальных ферментов

Важным экологическим фактором, с которым связано удовлетворение энергетических потребностей организма рыбы является наличие кислорода в воде. Концентрация кислорода во внешней среде оказывает влияние на темпы роста и развития рыб. При гипоксии организм переключается на альтернативные источники обеспечения энергией. Так, при гипоксии и полной аноксии для энергообеспечения разные экологические группы рыб используют в той или иной степени катаболизм белка.

Н.Н. Наумовой и Р.У. Высоцкой показана и проанализирована работа по изучению влияния этого фактора на активность лизосомальных и некоторых других ферментов у рыб.

В проведенных экспериментах установлено, что длительная гипоксия (6 недель) вызывала снижение уровня активности лизосомальных протеиназ, что объяснялось снижением адаптационных возможностей лизосомального аппарата. В этих опытах отмечалась значительная гибель икры сига.

В результате полученных данных можно увидеть, что у молоди карпа происходило возрастание активности кислой фосфатазы и катепсина D в ответ на кратковременную гипоксию и снижение активности лизосомальных ферментов в печени и мышцах рыб, живших в условиях с повышенным содержанием кислорода.

3.3 Роль лизосомальных ферментов в реакциях рыб на токсические воздействия

Как известно, количество токсических веществ, поступающих в водоемы с промышленными, хозяйственными и бытовыми стоками, исчисляется десятками тысяч и с каждым годом этот список пополняется множеством новых, синтезированных человеком химических соединений, которые могут составить опасность для животных, в том числе гидробионов.

Современные исследования по водной токсикологии проводятся на молекулярном, субклеточном, тканевом и организменном уровнях, поэтому ихтиотоксикология опирается на достижения биохимии, физиологии и экологии рыб.

Рыбохозяйственная токсикология призвана решать вопросы, связанные с влиянием токсикантов на динамику численности и запасы экономически ценных видов рыб. В результате многочисленных исследований установлены прямой и косвенный пути влияния токсикантов на рыбопродуктивность водоемов, то есть непосредственное токсическое влияние на все стадии жизненного цикла рыб, начиная с оплодотворенной икринки и кончая взрослым организмом, а так же на кормовую базу рыб и условия их обитания, на физико-химический и гидробиологический режим водоемов.

Загрязнение вод отрицательно сказывается на всех звеньях трофической цепи, но особое значение имеет исследование действия токсикантов на рыб, являющихся последним звеном пищевой цепи, в котором токсические вещества концентрируются.

Чрезвычайно важной и трудной задачей ихтиотоксикологии является диагностика отравлений рыб в естественных водоемах. Задача эта усложняется тем, что, часто в водоемы попадает комплекс загрязнений от нескольких источников. В этом случае необходимы эксперименты для выяснения картины отравлений рыб той или иной группой веществ, определения приоритетных токсикантов. Причем, следует выявлять всю гамму изменений, начиная с поведения и кончая внутренними показателями отклонения от нормы: биохимическими, физиологическими, морфологическими и др.

Особое внимание уделяется исследованию влияния сточных вод целлюлозно-бумажного комбината (ЦБК) на лизосомальный аппарат рыб. Сточные воды предприятий целлюлозно-бумажной промышленности остро токсичны для гидробионтов. В их составе содержатся такие токсические вещества, как фенолы, меркаптаны, лигнин, сернистые соединения и многие другие, поэтому их выпуск в водоемы вызывает нежелательные последствия, оказывает негативное влияние на гидробионтов.

Для выяснения влияния и степени токсичности некоторых компонентов промышленных стоков на организм рыбы Н.Н. Наумовой и Р.У. Высоцкой был проведен эксперимент на Выгозере, на берегу которого расположен крупнейший в Европе Сегежский целлюлозно-бумажный комбинат. Лещей отловленных в чистой зоне, помещали в садки, которые устанавливали в загрязненной промстоками зоне озера. Через определенные интервалы времени рыбу брали для проведения биохимического анализа.

Результаты проведенного эксперимента показали, что реакция организма рыбы на этот фактор очень сложна и зависит от времени нахождения в условиях эксперимента. Сотрудниками лаборатории было отмечено, что липидный состав лизосомальной фракции, выделенной из печени этих лещей, под влиянием сточных вод сильно изменяется. Полученные результаты исследования позволили авторам сделать вывод о том, что сложная смесь химических агентов, которой является сульфатный щелок, при воздействии на лизосомы приводит к разрушению лизосомальных мембран и выходу кислых гидролаз в цитоплазму клетки.

Сопоставление данных полученных в ходе эксперимента с подобным анализом поведенческих и физиолого-биохимических особенностей на каждой из стадий приспособительных реакций при интоксикациях различными химическими соединениями позволяет сделать вывод, что лизосомы участвуют в стрессовых реакциях рыб, вызванных стоками ЦБК и некоторыми составляющими их, компонентами.

3.4 Участие лизосомального аппарата в процессах питания

Важнейшим фактором среды, играющим первостепенную роль в биохимической, морфологической и экологической адаптации видов является пища. В то же время, такие основные функции организма, как питание, дыхание и размножение взаимосвязаны и находятся под регулирующим влиянием нервной и эндокринной систем. Поэтому изучение механизмов поддержания гомеостаза, обеспечения организма необходимыми энергетическими и пластическими веществами на разных стадиях онтогенеза, при различных физиологических состояниях представляет несомненный интерес, как для фундаментальной науки, так и для решения практических задач сельского хозяйства, звероводства и рыбоводства.

Составляющие ингредиенты пищи трансформируются в энергию биохимических процессов и структурные элементы организма. Важный момент - количество и качество пищи, так как только при выполнении этих условий обеспечивается нормальный рост и развитие организма. При несбалансированном питании, частичном или полном голодании включаются различные механизмы физиолого-биохимической адаптации, регулирующие интенсивность и направленность метаболизма на тканевом и клеточном уровнях. При этом следует учитывать, что на успешность процессов питания, пищеварения и усвоения пищи оказывают влияние сразу многие внешние и внутренние факторы.

Согласно современной концепции питания усвоение пищи происходит с помощью трех основных: внеклеточного, внутриклеточного и мембранного и двух дополнительных: индуцированного и симбионтного типов пищеварения. В большинстве из названных типов больший или меньший вклад в процессы расщепления компонентов пищи вносит ферментативный аппарат лизосом.

Внутриклеточное пищеварение является основной функцией лизосом. У простейших и беспозвоночных животных этот механизм ассимиляции пищи является основным. У позвоночных, в том числе рыб, он имеет большое значение на ранних этапах развития, а также в те периоды жизненного цикла, когда обеспечение организма веществом и энергией осуществляется за счет эндогенного питания.

На разных стадиях онтогенеза и годового цикла гидробионтов в процессы питания, осуществляющихся с помощью разных сменяющихся и дополняющих друг друга механизмов, вовлекаются лизосомальные гидролазы.

Проводились эксперименты по определению активности ферментов у молоди лосося при разных вариантах кормления. [13] В результате опыта было установлено, что при улучшении рационов в организме повышается активность лизосомальных ферментов, ответственных за катаболическую часть обмена веществ, а это в конечном счете, способствует формированию жизнестойкой крепкой молоди.

В исследованиях приводится пример опыта по выявлению активности ферментов у рыб при разных формах голодания.[13]

В результате cделаны выводы, что выработанная в процессе эволюции способность многих видов рыб в определенные периоды переключать метаболизм на эндогенные источники пластического и энергетического материала позволила им в конкурентной борьбе за выживание занять определенную экологическую нишу и, в конечном счете, обеспечить сохранение своего вида.

4. БИОХИМИЧЕСКИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ИНДЕКС - БИИ

При интерпретации разнообразных биохимических данных, полученных при изучении влияния различных экологических факторов, и особенно разного рода химических загрязнений, ученые столкнулись с необходимостью суммарной оценки биохимической реакции организма на эти воздействия. Большое разнообразие в характере изменений индивидуальных биохимических показателей в зависимости от действия концентраций токсиканта и в процессе длительного действия сублетальных концентраций токсиканта затрудняет однозначную оценку степени, интенсивности и опасности для организма происходящих процессов. Особенно трудно использовать эти данные при определении предельно-допустимых концентраций веществ (ПДК).

Изменение каждого биохимического параметра при разных концентрациях токсикантов контролируется столь многозначительными факторами, в свою очередь варьирующими в разной степени под действием различных веществ, что ожидать прямолинейной зависимости отдельных биохимических компонентов было бы нереальным. Поэтому возникла необходимость найти какую либо единую интегральную величину, усредняющую наблюдаемое разнообразие ответов организма на уровне индивидуальных биохимических показателей и коррелирующую с дозой токсиканта.

Основные принципы эколого-биохимического мониторинга были разработаны в лаборатории Н.Н. Немовой.[13] К ним относятся: принцип учёта экологического и таксономического разнообразия объектов (водных организмов); принцип исследования органов рыб и других гидробионтов; онтогенетический принцип; принцип комплексности тестов; принцип биохимической диагностики; принцип адекватности методов задачам эколого-биохимического мониторинга. При изучении влияния некоторых токсических веществ (ртути и других тяжелых металлов, нитратов, нитритов, солей калия) на разные стороны метаболизма рыб эта система была успешно апробирована сотрудниками Института биологии КарНЦ РАН. Они предложили биохимический интегральный индекс - БИИ, который представляет собой отношение числа резко отклоняющихся от нормы биохимических показателей к общему числу изученных показателей, выраженное в процентах.

Вычисление такого индекса оказалось очень полезным при определении ПДК, когда важна суммарная оценка биохимических изменений в организме, а также при выявлении механизмов и степени биохимических адаптационных перестроек при хроническом действии на него негативных факторов. Величина БИИ зависит от вида и возраста рыб, а также от токсичности загрязнителя водоема.

Важно знать, что величина БИИ, то есть число показателей, близких к крайним границам их естественной вариабельности или выходящих за ее пределы, то есть уже патологичных, во всех случаях соответствует классическому принципу токсикологии «доза-эффект», означающему, что с увеличением дозы токсиканта усиливается производимый им эффект.

Точность определения БИИ должна зависеть от степени охвата биохимическими показателями основных путей метаболизма: гликолиза, пентозофосфатного пути, цикла ди- и трикарбоновых кислот, окислительного фосфорилирования, бета-окисления жирных кислот, путей биосинтеза и распада биополимеров, пуриновых и пиримидиновых оснований, заменимых жирных кислот, глюконеогенеза, функционирования компонентов соединительной ткани, дыхания, состояния биологических мембран, гормонального статуса, обмена аминокислот, окислительного стресса и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучив биохимические ос можно сделать следующие выводы.

Рыбопродуктивность, численность, плодовитость, размерно-весовой состав популяций естественных водоемов зависят от физиолого-биохимического состояния рыб, о котором можно судить по ряду биохимических показателей.

Появление в водоемах повышенных и превышающих допустимые нормы концентраций токсических веществ вызывает нежелательные изменения в воде и кормовых организмах, что приводит к нарушениям клеточного метаболизма и, как следствие, к изменению плодовитости и выживания рыб. Это очень хорошо показано в исследованиях по влиянию «промстоков» целлюлозно-бумажного комбината и др.

Собран огромный экспериментальный материал, полученный в ходе натуральных модельных исследований, касающийся развития ответных реакций у водных организмов и, прежде всего, у пресноводных рыб при воздействии различных факторов среды, в том числе антропогенных.

Биохимические методы позволяют наблюдать изменения в обмене веществ в организме, наступающие, как правило, до появления физиологических и морфологических изменений или отклонений от нормы и дают возможность определить границы адаптационных способностей, выявить фазы воздействия и на основании этого, делать выводы о степени устойчивости и чувствительности видов.

Значение таких исследований состоит не только в теоретической значимости для биологии и экологии, для изучения биохимических механизмов адаптации, но и для решения практических задач биомониторинга биотестирования состояния рыб в естественных водоемах и в аквакультуре. Исследования вносят вклад также в проблему разработки современных методов оценки экологической ситуации в водоемах. Потребуется еще немало времени и усилий для того, чтобы усовершенствовать и внедрить в практику эту систему комплексного биохимического тестирования водоемов.

Полученные результаты по биохимической индикации состояния рыб и других водных организмов поставили перед учеными некоторые вопросы и проблемы, для выяснения которых необходимы дальнейшие исследования.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Абакумов В.А., Сущеня Л.М. Гидробиологический мониторинг пресноводных экосистем и пути его совершенствования / Экологические модификации и критерииэкологического нормирования Л.: Гидрометеоиздат, 2003. С. 41-52.

Акимова Н.В., Рубан Г.И. Анализ воспроизводственной системы рыб в связи с проблемами биоиндикации на примере сибирского осетра // Вопр. ихтиологии 2004. С. 109.

Аршаница Н.М. Состояние рыб как показатель степени загрязнения рыбохозяйственных водоемов /Н.М. Аршаница, О.Е.Перепелицина // Первая Всес. конф. по рыбохозяйственной токсикологии: Тез. докл. Рига, 1988 .-4.1.-С. 23-25

Багоцкий С.В. Пестициды и их воздействие на водные экосистемы / С.В. Багоцкий, М.В. Санин, Л.О. Эйлор. - М.: ВНИИТЭИагропром, 2012. С. 48.

Биотест Интегральная оценка здоровья экосистем и отдельных видов / Ред. В.М. Захаров, Д.М.Кларк. - М.:, 2011. 68 с.

Богдан В.В. Влияние ртути на состав липидов печени и мышц / В.В. Богдан, Н.Н. Немова, Т.Р. Руоколайнен // Вопр. ихтиологии. - 2002. - Т.42, № 2. С. 259 - 263.

Влияние компонентов буровых растворов на активность лизосомальных и антиоксидантных ферментов камбалы / Высоцкая Р.У., Крупнова М.Ю., Ломаева Т.А., Такшиев С.А. // Современные проблемы водной токсикологии: Тез. докл. Всеросс. конф., 19-21 ноября 2002 г. С. 30 - 31.

Головина И.В. Влияние полихлорбифенилов на активность ферментов в тканях мидии Mytilus galloprovincialis / И.В. Головина, О.Ю. Бочко // Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов: Материалы Международн. конф. (6 - 9 сентября 2004 г., г. Петрозаводск, Республика Карелия, Россия). - Петрозаводск: КарНЦ РАН,2004. С. 45 - 48.

Колупаев Б.И. Дыхание гидробионтов в токсической среде / Б.И. Колупаев. - Казань: изд-во Казанского ун-та, 2012. 128 с.

Комплексная оценка качества водной среды с помощью биомаркеров разного уровня / Руднева И.И., Шевченко Н.Ф., Овен Л.С. и др. // Актуальные проблемы водной токсикологии. - Борок: Ин-т биологии внутр. вод РАН, 2004. С. 124 - 149.

Котова Л.И. Биологический контроль качества вод / Л.И. Котова, Л.П. Рыжкова, А.В. Полина. - М.: Наука, 2012. 144 с.

Крылов О.Н. Методические указания по гематологическому обследованию рыб в водной токсикологии. / О.Н. Крылов. Л.: Изд-во ГосНИОРХ, 1974. - 40 с

Кудрявцева Г.В. Надёжность и качество ферментативных функциональных систем. / Г.В. Кудрявцева, В.И. Шишкин - СПб.: Изд-во СПб ун-та, 2009 - 68

Моисеенко Т.И. Лукин А.А., Шарова Ю.Н., Королева И.Н., Рыбная часть сообщества в изменяющихся условиях среды обитания - М.: Наука, 2002. 390

Моисеенко Т.И. Экотоксикологический подход к оценке качества вод // Водные ресурсы 2005 Т.32№4. С. 410 - 424.

Немова Н.Н. Биохимическая индикация состояния рыб / Н.Н. Немова, Р.У. Высоцкая. - М.:Наука, 2004. С. 9-159

Решетников Ю.С. Метод экспертной оценки состояния особи и популяции сиговых рыб // Биология и биотехника разведения сиговых рыб. СПб.: Изд. ГосНИОРХ, 2004. - С. - 119.

Романенко В.Д. Основы гидроэкологии / В.Д. Романенко. - К.: Генеза, 2012. - С. 52. индикация рыба биохимический лизосомальный

Размещено на Allbest.ru