ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ РЫБ В УСЛОВИЯХ РАЗНОГО УРОВНЯ ТОКСИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОЕМОВ
В.П. Гандзюра1 Л.А., Гандзюра2
1Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, г. Киев, Украина 2Международный открытый университет развития человека «Украина», Международный центр экобезопасности, г.
Киев, e-mail: v-gandzyura@email.kiev.uaГлобальное токсическое загрязнение гидросферы приводит к формированию качественно новых условий существования живых организмов, оказывая значительное влияние на весь ход их метаболических процессов. Среди токсикантов особое место занимают соединения тяжелых металлов,
уровень которых постоянно возрастает практически во всех водоемах, куда они поступают со всей пощади водосборного бассейна. Нарушая физиолого-биохимические процессы, тяжелые металлы оказывают существенное влияние на все стороны метаболизма рыб [4]. Поэтому изучение изменений метаболических процессов рыб в токсической среде имеет важное значение как для прогнозирования дальнейших изменений метаболизма при разных уровнях токсической нагрузки, учета особенностей метаболических процессов в токсической среде, равно как и для разработки путей коррекции метаболизма в условиях токсификации водоемов. Особую роль в регуляции метаболических
процессов и энергетическом обеспечении играет фосфор, роль которого в жизнедеятельности гид- робионтов, включая рыб, детально изучена [8]. Рядом исследований установлено, что элементы фосфорного баланса рыб очень чувствительны к изменению отдельных параметров среды [2, 3]; имеются данные об уровне его содержания в теле рыб [1]. Однако сведения о балансе фосфора у рыб в условиях повышенного содержания тяжелых металлов в литературе единичны [2, 5]. Учитывая сопряженность энергетического и фосфорного обмена [8], целью наших исследований было установление изменений уровня дыхания, удельной скорости роста, эффективности конвертирования пищи, структуры и сопряженности энергетического и фосфорного баланса рыб при разных уровнях токсического загрязнения воды соединениями тяжелых металлов.
Материал и методы исследований
Использовали общепринятые в гидробиологии, ихтиологии и экотоксикологии методы, анализ которых детально представлен в ряде работ [1-4]. Исследование экскреторно-абсорбционных процессов проводили на акклимированых в течение двух недель к условиям эксперимента рыбах.
Количество экскретированного за сутки фосфора рассчитывали по разнице его содержания в аквариумах с рыбами и в контрольном после суточной экспозиции. Фосфор определяли колориметрическим молибдатно-сурьмяновым методом с аскорбиновой кислотой [10] с последующей экстракцией молибденового комплекса гексанолом [11]. Соответствующие концентрации тяжелых металлов поддерживали путем ежедневной смены воды и внесением определенного количества маточного
раствора K2Cr2O7, NiSO4, CdCl2, Pb(NO3)2. Параллельно с изучением интенсивности экскреции фосфора у тех же рыб измеряли уровень потребления кислорода методом замкнутых респирометров. Во всех аквариумах контролировали содержание кислорода (которое находилось в пределах 6,7-8,6 мг О2/л), свободной углекислоты (около 0,1 ммоль/л), гидрокарбонатов (287-317 мг/л), и рН (7,1-7,7). В качестве корма использовали трубочник Tubifex tubifex и личинок хирономид Chironomidae larvae. Объем воды в каждом опыте был таким, чтобы плотность посадки составляла около 1,5 грамма ихтиомассы на литр, количество рыб в каждом аквариуме обычно составляло 1015 экземпляров (согласно [6]). Температура воды была в пределах 20±20C, постоянная аэрация осуществлялась с помощью микрокомпрессоров. В конце опытов рыб высушивали, гомогенизировали, сжигали в серной кислоте с перекисью водорода, после чего определяли содержание в остатке общего фосфора [10]. Статистическая обработка проведена по общепринятым методам с использованием компьютерных программ.
Результаты исследований и их обсуждение
Во всех экспериментах с ионами никеля, хрома, свинца и кадмия нами установлено снижение удельной скорости роста и эффективности трансформации рациона всеми исследованными видами рыб, в частности, в опытах с кадмием получены следующие результаты (табл.
1).Таблица 1
Рост и эффективность трансформации рациона у Poecilia reticulata (возраст 1-2 месяца) при разных концентрациях Cd2+ в воде (M±m, n = 13)
| Концентрация кадмия, мг Cd2+Zn | Удельная скорость роста, % в сутки | Эффективность трансформации рациона, % |
| Контроль | 7,65±0,21 | 21,2±1,4 |
| 0,001 | 6,11±0,17 | 16,6±1,2 |
| 0,010 | 4,93±0,18 | 13,0±1,0 |
| 0,100 | 2,53±0,23 | 7,8±0,9 |
| 1,000 | 0,98±0,11 | 2,0±0,8 |
Детальное исследование структуры и сопряженности энергетического и фосфорного балансов рыб при разных концентрациях Pb2, Ni2, Cr6, Cd2 позволило установить следующее. При концентрациях тяжелых металлов от 0,1 до 10 ГДК в большинстве экспериментов установлено резкое возрастание уровня стандартного обмена (в 2,5-6,0 раз) и снижение соотношения (общий обмен)/стан- дартный. Это обусловлено значительным увеличением энергетических трат на поддержание жизнедеятельности организма в токсической среде. При этом ресурсов на рост, развитие и размножение остается все меньше (пропорционально уровню загрязнения среды). Это, в свою очередь, приводит к снижению эффективности использования рациона на рост. Одновременно установлено существенное разбалансирование вещественно-энергетических процессов у рыб при повышенном уровне тяжелых металлов в воде. При повышенном содержании тяжелых металлов в воде (от 0,1 ПДК и выше) во всех случаях резко возрастает интенсивность экскреции фосфора. Причем нарушение фосфорного обмена отмечено у всех исследованных видов рыб. В контроле уровень экскреции фосфора зависит, главным образом, от видовой принадлежности, этапа развития, возраста и условий кормления.
При этом при питании уровень экскреции резко снижается у большинства трофических групп. Лишь у ихтиофагов питание до насыщения приводит к возрастанию экскреции фосфора (по сравнению с голодавшими рыбами) более чем в 5 раз. При этом у зоопланктонофагов и бентофагов в условиях токсического загрязнения среды установлено снижение содержания общего фосфора в теле в процессе роста, в то время как у ихтиофагов (щука, сом) такого снижения не отмечено, что объясняется особенностями их питания (относительное содержание фосфора в их рационе в 1,5-2,0 раза выше, чем у бентофагов и зоопланктонофагов). Как показали наши эксперименты, коррекция рационов рыб в условиях токсического загрязнения водной среды позволяет решить этот вопрос путем повышенного содержания фосфора в кормах, что компенсирует его потери вследствие усиленной его экскреции.Установлено, что уровень экскреции фосфора существенно зависит от величины суточного рациона и от концентрации токсиканта в воде. Так, у двухмесячной золотой рыбки в контроле при питании до насыщения имела место абсорбция фосфора из воды, а при голодании и при рационе, составляющем половину от максимального, наблюдалась его экскреция. В условиях концентрации хрома от 0,001 (что составляет 1 ПДК) до 10,000 мг/л во всех случаях имела место лишь экскреция. Причем уровень экскреции фосфора возрастал пропорционально увеличению концентрации хрома в воде. Аналогичная зависимость установлена и в опытах с повышенным содержанием кадмия в во - де (табл. 2).
Таблица 2
Интенсивность экскреции фосфора у двухмесячной золотой рыбки (масса тела 832±23 мг) в контроле и при разной концентрации кадмия в воде, M±m, n=15
| Величина рациона, доли от максимального | Экскреция фосфора, мкг Р/г массы тела в сутки при разных концентрациях кадмия в воде | |||
| Контроль | 0,001 еа2+/л | ο,οιο мг еа2+/л | 0,100 еа2+/л мг | |
| 0 | 1,67±0,09 | 2,09±0,10 | 3,21±0,15 | 2,98±0,17 |
| 0,5 | 0,17±0,04 | 0,58±0,11 | 0,84±0,08 | 0,90±0,12 |
| 1,0 | -0,41±0,03 | 0,10±0,01 | 0,22±0,06 | 0,47±0,05 |
Аналогичные исследования с линем, лещом и плотвой дали сходные результаты, в частности, в опытах с плотвой получены следующие результаты ( табл.
3).Таблица 3
Уровни экскреции фосфора и дыхания у Rutilus rutilus (масса тела 12,76±0,73 г) в контроле и при концентрации хрома в воде 1 мг/л при разных величинах суточного рациона, M±m, n = 6
| Рацион, доли от максимального | Экскреция фосфора, мкгР /г сут-1 | Уровень дыхания, мг О2/г сут-1 |
| Контроль Опыт | Контроль Опыт | |
| 0 1,93±0,08 2,56±0,09 11,53±0,71 8,65±0,32 0,5 ,06±0,01 1,05±0,10 7,89±0,36 6,18±0,18 1,0 -0,89±0,09 1,09±0,08 25,19±1,87 11,73±0,84 | ||
Таким образом, во всех случаях имеет место общая закономерность: величина суточного рациона оказывает большое влияние на изученные метаболические процессы рыб. При питании рыб до насыщения интенсивность дыхания у рыб достигает максимальных значений, что согласуется с литературными сведениями [5]. Рацион, составляющий часть от максимального, приводит или к некоторому снижению интенсивности дыхания (рыба ведет себя более спокойно), или же к незначительному его увеличению. При голодании уровень экскреции фосфора находится на определенном (для каждого вида рыб, каждой размерно-возрастной группы) уровне. При рационах, составляющих 0,5 от величины максимального, наблюдается снижение уровня экскреции. Потребление же пищи до насыщения во всех опытах приводило к одному и тому же результату: у рыб наблюдалась абсорбция фосфора из воды.
При повышенном содержании тяжелых металлов в воде во всем диапазоне исследованных концентраций установлено увеличение интенсивности экскреции фосфора. При питании до насыщения рыбы также экскретировали фосфор, а не поглощали его из воды, как это имело место в контроле.
Таким образом, повышенное содержание соединений тяжелых металлов в воде приводит к
существенным нарушениям экскреторно-абсорбционных процессов у рыб. Причем наиболее существенные отклонения от контроля наблюдаются в условиях питания рыб до насыщения.
В этом случае имеющая место в контроле абсорбция фосфора из воды сменяется его экскрецией. Важное значение имеет также возраст подопытных рыб. Так, одномесячная молодь пяти исследованных нами видов рыб абсорбировала фосфор в условиях голодания, что не наблюдалось у рыб старших возрастных групп. Это связано с наиболее активными процессами роста и развития, а также с возрастными особенностями фосфорного обмена рыб.В связи с установлением существенных нарушений экскреторно- абсорбционных процессов фосфорного обмена у рыб в условиях повышенного содержания тяжелых металлов в воде мы исследовали влияние шестивалентного хрома водной среды на уровень содержания фосфора в теле подопытных рыб. Для этого рыб содержали при концентрациях хрома 0,05 мг/л в течение 45 суток. Полученные результаты свидетельствуют, что в этих условиях происходит снижение содержания фосфора в теле всех исследованных видов рыб по сравнению с контролем (табл. 4).
Таблица 4
Содержание фосфора в теле рыб в начале и в конце 45-ти суточного опыта в контроле и при концентрации хрома 0,05 мг Cr6+ /л, M±m
| Виды рыб | n | Масса тела, мг | Содержание сухого вещества в конце опыта, % | Содержание фосфора в сухом веществе, % | ||
| В начале опыта | В конце опыта | Контроль | Опыт | |||
| Золотая | 25 | 16±2 | 536±27 | 17,59±0,49 | 2,279±0,176 | 1,804±0,187 |
| рыбка | 20 | 548±17 | 2243±64 | 19,76±0,51 | 2,302±0,163 | 2,054±0,189 |
| Плотва | 15 | 954±14 | 2963±76 | 21,32±0,48 | 2,416±0,148 | 2,158±0,196 |
| Линь | 15 | 1245±17 | 3423±59 | 20,41±0,39 | 2,401±0,173 | 2,285±0,232 |
| Лещ | 16 | 1165±23 | 4734±78 | 2106±0,43 | 2,526±0,189 | 2,101±0,309 |
| Окунь | 12 | 1617±38 | 4195±81 | 20,89±0.72 | 2,902±0,201 | 2,583±0,315 |
| 14 | 36±3 | 1112±67 | 19,74±0,54 | 2,812±0,159 | 2,147±0,187 | |
При этом обращает на себя внимание тот факт, что максимальное снижение уровня фосфора в теле подопытных рыб по сравнению с контролем характерно для более молодых особей: достаточно сравнить результаты для золотой рыбки и окуня разного возраста и массы тела (табл. 4). Это связано с тем, что наиболее интенсивно фосфор накапливается у рыб на ранних этапах развития [1-3], поэтому нарушение экскреторно-абсорбционных процессов в этот период представляет особую опасность для рыб.
Таким бразом, величина суточного рациона оказывает огромное влияние на интенсивность экскреции фосфора: при питании до насыщения рыбы лишь поглощали фосфор из воды (в условиях контроля), в то время как при голодании отмечается его экскреция. Максимальный уровень экскреции (при отсутствии в среде токсикантов) отмечается или при голодании, или при рационе, составляющем 0,25 от максимального; при рационе 0,5 от максимального во всех случаях уровень экскреции фосфора существенно снижался или имела место его абсорбция из воды. При концентрации тяжелых металлов в воде от 1 ПДК и выше при всех значениях величины суточного рациона имела место лишь экскреция фосфора, в то время как в контроле при питании до насыщения рыбы поглощали фосфор из воды.
Нами также установлено, что даже незначительное повышение уровня тяжелых металлов в воде (от 0,1 ПДК) вызывает резкое увеличение амплитуды колебаний практически всех исследованных нами показателей рыб. Следует особо подчеркнуть, что исследование метаболических процессов рыб в условиях токсического влияния чаще всего оценивается по конечным результатам - как изменились те или иные показатели в конце эксперимента, что не позволяет учитывать колебаний изучаемых параметров. В большинстве наших экспериментов при определенных концентрациях тяжелых металлов средние значения соответствующих показателей достоверно не отличаются от контроля, но резко увеличивается амплитуда их колебаний во времени (табл. 5).
Таблица 5
Показатели роста Rutilus rutilus при разных концентрациях Cd2+ в воде
| Статистические показатели | Удельная скорость роста (% в сутки) при разных концентрациях Cd2+ в воде | ||||
| Контроль | 0,0005 мг Cd2+Zn | 0,001 мг Cd2Vn | 0,010 мг Cd2+Zn | 0,100 мг Cd2+Zn | |
| Среднее значение | 6,347 | 6,329 | 6,290 | 5,987 | 2,137 |
| Дисперсия | 0,11589 | 19,20293 | 12,08432 | 6,45301 | 02,10034 |
Согласно имеющимся в литературе сведениям в области надежности технических систем известно, что шум транзисторов и других электронных устройств в низкочастотном диапазоне дает существенную информацию о долговечности элементов: чем выше амплитуда шумов, тем выше вероятность выхода функционального параметра за пределы его допустимых значений, соответственно, выше вероятность отказа системы по этому параметру. С позиции теории надежности усиление «шумов» в организме следует ожидать при патологических состояниях [3-4]. В биологических системах флуктуации известны давно. Спонтанно флуктуируют активности ферментов в растворах, много (если не все) физиологические показатели у людей, животных и растений. Исходя из аналогии с техническими системами, можно ожидать усиления флуктуаций физиологических и других показателей. Биохимические методы позволяют наблюдать изменения клеточного метаболизма, которые происходят раньше от физиологических и морфологических отклонений [9], и таким образом осуществлять раннюю диагностику патологических процессов.
Таким образом, в токсической среде происходит нарушение сопряженности вещественноэнергетических процессов у рыб: существенное изменение структуры энергетического баланса, резкое возрастание экскреции фосфора, что в большинстве случаев приводит к снижению его содержания в теле, существенные изменения показателей роста и эффективности трансформации вещества и энергии. Первой реакцией на токсическое воздействие является резкое увеличение амплитуды колебаний всех исследованных физиолого-биохимических показателей, дальнейшая картина существенно зависит от величины доступной энергии (что согласуется с теорией оптимального питания [7]), уровня токсичности среды, видовой и возрастной чувствительности. Показана возможность приспособления к определенному уровню токсической нагрузки при достаточном энергетическом обеспечении, что согласуется с имеющимися в литературе сведениями [2-5, 7].
Выводы
1. В условиях токсического загрязнения водной среды соединениями тяжелых металлов установлены существенные нарушения метаболических процессов у рыб - изменение структуры энергетического баланса (в первую очередь, за счет резкого увеличения стандартного обмена); существенное снижение эффективности трансформации рациона, снижение темпа роста, нарушение фосфорного обмена (резкое возрастание экскреции фосфора) и сопряженности вещественно-энергетических процессов.
2. При повышении уровня тяжелых металлов в среде обитания у рыб резко возрастают колебания значений всех исследованных показателей - удельной скорости роста, эффективности трансформации вещества и энергии, уровня дыхания и др. Это необходимо учитывать при исследовании метаболических процессов рыб, а резкое увеличение амплитуды колебаний соответствующих показателей метаболизма позволяет осуществлять допороговую диагностику экотоксикологических эффектов.
3. Установлено, что повышенные концентрации Cr6, Ni2, Cd2, Cu2 в воде (от 1 ПДК и выше) существенно влияют на структуру фосфорного баланса рыб, вызывая значительное увеличение уровня экскреции фосфора, что приводит к уменьшению его содержания в теле. На экскреторно-абсорбционные процессы у рыб существенное влияние оказывает величина суточного рациона.
4. При изучении метаболических процессов у рыб необходимо учитывать уровень токсического загрязнения водоемов. В то же время количественные характеристики метаболических процессов рыб могут эффективно использоваться в системе оценки уровня загрязнения водоемов и качества среды обитания рыб.
Литература
Гандзюра В.П., 1985. Содержание фосфора в теле рыб днепровских водохранилищ // Гидробиол. журн. Т. 21, №6. С. 84-87.
Гандзюра В.П., 2002. Продуктивность биосистем в условиях токсического загрязнения среды тяжелыми металлами. Киев, ВГЛ «Обрии». 248 с. (укр.)
Гандзюра В.П., 2003. Фосфорный баланс рыб при действии тяжелых металлов (Cr6+, Ni2+) водной среды // Гидробиол. журн. Т. 39, № 5. С. 92-100.
Гандзюра В.П., Грубинко В.В., 2008. Концепция вредоносности в экологии - Киев-Тернополь, Из-во Терноп. нац. пед. ун-та. 144 с. (укр.)
Гандзюра В.П., Гандзюра Л.А., 2008. Подходы к оценке качества вод и состояния экосистем в условиях антропогенной нагрузки //М-лы Междунар. конф. по водной токсикологии и гидроэкологии «Антропогенное
влияние на водные организмы и экосистемы. Критерии оценки качества воды». Борок, Россия. С. 37-41.
Лукьяненко В.И., Карпович Т.А., 1989. Биотестирование на рыбах / Методические рекомендации/. АН СССР. - 96 с.
Михеев В.Н., 1988. Пищевое поведение животных и принцип оптимальности // Экологическая энергетика животных. Всесоюзн. Совещ. (31 октября - 3 ноября 1988 г., г. Суздаль): Тез. докл. Пущино. С. 112-113.
Романенко В.Д., Арсан О.М., Соломатина В.Д., 1982. Кальций и фосфор в жизнедеятельности гидро- бионтов. Киев: Наук. думка. 152 с.
Сидоров В.С., Немова Н.Н., Высоцкая Р.У., 2002. Использование интегрального биохимического индекса для оценки ПДК и биохимических изменений у рыб при токсических воздействиях // Современные проблемы водной токсикологии. Всероссийская конф. с участием специалистов из стран ближнего и дальнего зарубежья (19-21 ноября 2002 г, Борок): Тез. докл. Борок. С. 121-122.
Golterman H.L., 1969. Methods for Chemical Analysis of Fresh Waters. IBP, Handbook №8. Oxford and Edinburg. 172 p.
Stephens K., 1963. Determination of low phosphate concentration in lake and marine water // Limnol. Oceanogr. V. 8. P. 361-362.
FEATURES OF METABOLIC PROCESSES OF FISHES UNDER THE CONDITIONS OF DIFFERENT LEVEL OF TOXIC POLLUTION OF RESERVOIRS
V.P. Gandzyura1, L.A. Gandzyura2
1Kyiv Taras Shevchenko National University, Ukraine 2Opened International University of development of the person «Ukraine» &
International Centre for Environmental Security, Kyiv, Ukraine e-mail: v-gandzyura@email.kiev.ua
Results of own long-term authors researches of general laws of metabolic processes in fishes organism under the conditions of different level of toxic pollutions of waters (mainly by heavy metals - Cr6+, Pb2+, Ni2+, Cd2+) have been analyzed and generalized. The essential infringements of energetic and phosphorus balance were estimated under the conditions of increases level of Cr6+, Cd2+ and Ni2+ in water, which cause considerably increasing of phosphorus excretion and reducing of its content in the fish body. Substance-energetic processes in conditions of heavy metals water pollution are revealed. It also has been shown, that even the insignificant increase of heavy metals' level in water (more than 0,1 WHPL) causes sharp fluctuations of meanings of all metabolic parameters. The general laws of these fluctuations were investigated at a different level of water pollution. The general laws of change of productive parameters of fishes under conditions of a various level of toxic pressure were revealed. The level of toxic effects essentially depends on size of energy accessible for organism. Possibility of early diagnostics of toxic effects by increase oscillatory processes in an organism has been established.