Влияние содержания токсичных элементов в тканях черноморских рыб на изменение показателей азотистого обмена

Изучали содержание токсичных элементов Zn, Cu, Cd, Pb, Hg, As в тканях 5 видов черноморских рыб и влияние этих параметров на изменение показателей азотистого обмена: свободного аминного азота, нуклеотидов и нуклеозидов. Установлена зависимость между уровнем накопления токсичных элементов в тканях рыб и ответными реакциями показателей азотистого обмена исследуемых видов, разных экологических и таксономических групп.

Ключевые слова: токсичные элементы, свободный аминный азот, нуклеотиды и нуклеозиды, черноморские рыбы, Черное море.

В настоящее время прибрежные морские экосистемы в наибольшей степени подвержены антропогенному прессингу в результате сброса сточных вод промышленных, сельскохозяйственных и коммунальных предприятий. Эта ситуация характерна и для Черноморского региона. Как следствие в шельфовой зоне концентрируется множество различных загрязнителей (тяжелые металлы, нефтепродукты, фенолы, пестициды и другие органические соединения). Это приводит к изменению гидрохимического режима, нарушению эволюционно сложившихся связей между различными компонентами сообщества, развитию процессов эвтрофирования, изменению и уменьшению видового разнообразия ихтиофауны, смене доминирующих видов в сторону малоценных [1, 2, 9].

Тяжелые металлы способны накапливаться в печени рыб, что может привести к функциональной недостаточности, в частности к нарушению азотистого обмена. Влияние токсичных элементов на азотистый обмен рыб представляет определенный интерес с точки зрения исследования биохимических изменений этого обмена в результате сложного взаимодействия факторов среды и процессов метаболизма [3, 11, 12].

Целью исследований явилось изучение влияния содержания токсичных элементов в тканях некоторых видов рыб, обитающих в Черном море, на показатели азотистого обмена этих рыб в зависимости от их таксономического положения и принадлежности к разным экологическим группам.

Материалы и методы исследования

В исследованиях использовали ихтиологический материал, собранный сотрудниками отдела ихтиологии Института морских биологических исследований имени А. О. Ковалевского РАН.

Объектами исследования служили 4 вида костистых рыб, относящиеся к разным экологическим группам: бычок-мартовик (Mesogobius batrachocephalus Pallas), смарида (Spicara flexuosa Rafinesque), темный горбыль (Sciaena umbra L), ставрида средиземноморская Trachurus mediterraneus Staindachner) и 1 вид хрящевых рыб: морской кот (Raja clavata L.). Рыб отлавливали в прибрежной части Черного моря в районе г. Севастополя. Материалом исследования служила мышечная ткань, жабры, печень и сыворотка крови черноморских рыб.

В процессе выполнения работы использовали следующие методы: колориметрический метод количественного определения свободного аминного азота в сыворотке крови [10]; спектрофотометрический метод определения нуклеотидов и нуклеозидов [13]; атомно-абсорбционный метод с предварительной минерализацией при определении содержания токсичных элементов (медь, свинец, кадмий, цинк) [14, 15]; метод беспламенной атомной абсорбции при определении содержания общей ртути [7]; колориметрический метод определения содержания мышьяка [15].

Сравнительный анализ данных осуществляли с использованием t-критерия Стьюдента. Результаты считали достоверными в случае, если р ≤ 0,05. С целью выявления зависимости между исследуемыми параметрами рассчитывали коэффициент корреляции для каждой пары значений с помощью стандартной программы «Excel». При этом считали, что при коэффициентах корреляций 0 < r < 0.3 — соответствует слабая связь, 0.3 < r < 0.5 — умеренная, 0.5 < r < 0.7 — значительная, 0.7 < r < 0.9 — сильная [6].

Результаты исследований и их обсуждение

Результаты исследований показывают закономерности распределения нуклеотидов и нуклеозидов в органах и тканях исследуемых видов рыб. Максимальных значений содержание нуклеотидов и нуклеозидов достигает в печени, более низкий уровень выявлен в жабрах, а минимальное количество — в мышцах (рис. 1).

Полученные данные свидетельствуют о том, что содержание нуклеотидов и нуклеозидов выше в тканях и органах придонно-пелагических и пелагических видов костистых рыб. Наиболее высокие показатели азотистого обмена установлены в мышцах темного горбыля и смариды (2,11 и 2,49 мг/г), в печени и жабрах ставриды (9,88 мг/г и 4,01 мг/г). Низкие значения этих показателей отмечены в тканях и органах придонных видов костистых и хрящевых рыб. Минимальные количества нуклеотидов и нуклеозидов выявлены в жабрах морского кота (2,84 мг/г) и мышцах бычка-мартовика (1,43 мг/г).

Рис. 1. Содержание нуклеотидов и нуклеозидов в тканях и органах рыб разных экологических групп, обитающих в Черном море

Являясь исходным материалом для построения молекул нуклеиновых кислот, эти показатели также входят в состав различных коферментов, регулирующих обменные процессы в клетке [5, 18]. Очевидно, с этим связан высокий уровень нуклеотидов и нуклеозидов у этих рыб, при котором в организме осуществляется интенсивный обмен веществ с большим расходом энергии.

Нами изучен уровень свободного аминного азота в сыворотке крови костистых и хрящевых рыб, в зависимости от принадлежности к разным экологическим группам.

Результаты исследования позволили установить определенные особенности содержания свободного аминного азота в сыворотке крови разных видов черноморских рыб (рис. 2).

Рис. 2. Содержание свободного аминного азота в сыворотке крови рыб разных экологических групп, обитающих в Черном море

Среди костистых рыб, максимальная концентрация свободного аминного азота отмечена в сыворотке крови смариды и темного горбыля (4,18 и 4,19 мг %), минимальная — в сыворотке крови ставриды (3,19 мг %). Уровень азота в сыворотке крови хрящевого морского кота низкий (3,38 мг %).

Таким образом, более высокое количество аминного азота в сыворотке крови костистых рыб, как и содержание азотистых оснований в их мышечной ткани, отмечено у придонно-пелагической группы, ведущей более активный образ жизни, по сравнению с придонными рыбами.

Результаты исследования показывают, что содержание токсичных элементов в мышечных тканях исследуемых видов рыб варьирует в широких пределах, но при этом не превышает ПДК (табл. 1).

Таблица 1

Содержание токсичных элементов в мышечных тканях рыб разных экологических групп, обитающих в Черном море (мг/кг)

Примечание. * — не достоверные различия.

Более высокое количество токсичных элементов выявлено в мышечных тканях костистых и хрящевых рыб, ведущих придонный образ жизни. Более низкое содержание токсикантов отмечено в тканях придонно-пелагической смариды и пелагической ставриды. Минимальное содержание токсикантов выявлено в мышечных тканях темного горбыля.

Механизм токсического действия кадмия, свинца, мышьяка и ртути, заключается в блокировании функциональных карбоксильных и SH-групп белков, которые входят в состав жизненно важных ферментов, а также нарушением электролитного баланса, биосинтеза белков, гормонов и нуклеиновых кислот [3, 16, 17].

Цинк и медь, являясь биомикроэлементами, необходимыми для жизнедеятельности организма, могут играть положительную роль для рыб. Однако, медь является металлом с переменной валентностью и входит в состав некоторых оксидоредуктаз. В результате отдачи электронов запускается окислительный процесс, который способствует образованию свободных радикалов, приводящих к повреждению клетки, нарушению обменных процессов, в частности обмена нуклеиновых кислот, соотношения нуклеотидов и нуклеозидов [3, 8, 18].

С целью выяснения влияния уровня токсичных элементов в мышечных тканях изученных рыб на показатели азотистого обмена, нами был проведен корреляционный анализ между этими показателями в тканях и органах рыб (табл. 2).

Таблица 2

Коэффициент корреляции (r) между содержанием показателей азотистого обмена и токсичных элементов в тканях и органах черноморских рыб

Из представленных в таблице 2 данных видно, что в большинстве случаев, между содержанием нуклеотидов и нуклеозидов в жабрах и токсичных элементов в мышцах рыб выявлена умеренная, значительная и высокая связь (r=0,30–0,99). Именно в этом органе осуществляется наибольшее влияние токсикантов на изменение соотношения показателей азотистого обмена, так как жабры, где осуществляется фильтрация многих поступивших веществ, первые принимают на себя «удар» токсичных элементов.

Более слабая связь отмечена между содержанием нуклеотидов и нуклеозидов в печени и мышцах исследованных видов и токсичных элементов в мышцах рыб.

При этом более высокий коэффициент корреляции установлен у смариды, темного горбыля и морского кота между содержанием нуклеотидов, нуклеозидов в печени и токсичными элементами в мышцах. Содержание ртути умеренно коррелирует с показателями азотистого обмена у исследуемых видов (r=0,30 — -0,86). Значительная и умеренная связь выявлена у представителей костистых и хрящевых рыб между содержанием мышьяка в мышцах, нуклеотидов, нуклеозидов в печени и аминного азота в сыворотке крови этих видов (r=-0,31–0,68).

Значительные и высокие корреляции отмечены между содержанием аминного азота в сыворотке крови исследованных видов и токсичных элементов в мышечных тканях смариды, темного горбыля и морского кота (r=0,54–0,99).

Нужно отметить, что у придонно-пелагических и пелагических видов выявлено более высокое содержание показателей азотистого обмена по сравнению с придонными рыбами. В тоже время, уровень токсичных элементов в мышечных тканях этих рыб имеет более низкие значения. Для представителей придонных видов костистых и хрящевых рыб отмечена противоположная тенденция.

Известно, что воздействие на рыб токсикантов, таких, как свинец, ртуть, мышьяк, вызывает реакцию, аналогичную острому аммиачному токсикозу. В организме рыб ионы токсичных элементов влияют на различные метаболические процессы. Значительной чувствительностью к токсикантам характеризуются белки и нуклеиновые кислоты, которым принадлежит чрезвычайно важная роль в адаптации гидробионтов к изменяющимся условиям среды [4, 5, 17, 18, 19].

Таким образом, приведенные данные корреляционного анализа позволили отметить, что содержание токсичных элементов в наибольшей степени влияет на изменение показателей азотистого обмена у морского кота и костистых рыб, ведущих более активный образ жизни, показывая при этом умеренные, значительные и высокие корреляции.

Выводы

1.                  Установлены экологические особенности содержания нуклеотидов и нуклеозидов в тканях и органах рыб: у придонно-пелагических и пелагических видов отмечено более высокое содержание нуклеотидов и нуклеозидов по сравнению с придонными рыбами. Максимальное количество свободного аминного азота обнаружено у придонно-пелагических видов и находится в пределах 4,18–4,19 мг %.

2.                  Более высокие уровни токсичных элементов выявлены в мышечных тканях придонных видов костистых и хрящевых рыб, по сравнению с рыбами, ведущими активный образ жизни.

3.                  Содержание токсичных элементов в наибольшей степени влияет на изменение показателей азотистого обмена у морского кота и костистых рыб, ведущих более активный образ жизни, показывая при этом умеренные, значительные и высокие корреляции.

Литература:

1.                  Биомониторинг прибрежных вод Черного моря / И. И. Руднева, Н. Ф. Шевченко, И. Н. Залевская, Н. В. Жерко // Водные ресурсы. — 2005. — Вып. 32, № 2. — С. 238–246.

2.                  Будников Г. К. Тяжелые металлы в экологическом мониторинге водных систем / Г. К. Будников // Соросовский образовательный журнал, 1998. — № 5. — С. 23–29.

3.                  Влияние свинца на азотистый обмен у карпа при различной температуре водной среды / И. Н. Коновец, В. А. Кулик, О. М. Арсан и др. // Гидробиологический журнал. — 1994. — Т. 30, № 5. — С. 78–86.

4.                  Кулинский В. И. Обезвреживание ксенобиотиков / В. И. Кулинский // Успехи современной биологии. — 1999. — С. 35–42.

5.                  Курант В. З. Динамика белков и нуклеиновых кислот в организме карпа под влиянием повышенных концентраций марганца, цинка и меди / В. З. Курант // Гидробиологический журнал. — 2001. — Т. 37, № 4. — С. 45–51.

6.                  Лакин Г. Ф. Биометрия / Г. Ф. Лакин. — М.: Высшая школа, 1990. — 352 с.

7.                  Методические рекомендации по обнаружению и определению общей ртути в пищевых продуктах методом беспламенной абсорбции: № 5178–90. — [Действующий от 1990–21–06]. — М.: Ин-т пит. РАМН, 1990. — С. 97–102.

8.                  Немова Н. Н. Биохимическая индикация состояния рыб / Н. Н. Немова, Р. У. Высоцкая. — М.: Наука, 2004. — 215 с.

9.                  Овен Л. С. Ответные реакции морского ерша (Scorpaena porcus L.) на антропогенное воздействие / Л. С. Овен, И. И. Руднева, Н. Ф. Шевченко // Вопросы ихтиологии. — 2000. — Т. 40, № 1. — С. 75–78.

10.              Пустовалова Л. М. Практикум по биохимии / Л. М. Пустовалова. — Ростов- н/Д.: Феникс, 1990. — С. 23–224.

11.              Самышев Э. З. Действительная экологическая катастрофа Черного моря / Э. З. Самышев, Д. Я. Фащук // Социально-экологические проблемы Черного моря: материалы Межресп. конф. (Керчь, 26–28 марта, 1992 г.). — Керчь, 1992. — С. 20–24.

12.              Себах Л. К. Оценка накопления тяжелых металлов в промысловых объектах Азово-Черноморского бассейна / Л. К. Себах, Т. М. Панкратова, Т. М. Авдеева // Труды ЮгНИРО. — 1995. — Т. 41. — С. 87–90.

13.              Спирин А. С. Спектрофотометрическое определение суммарного количества нуклеиновых кислот / А. С. Спирин // Биохимия. — 1985. — Т. 23. — Вып. 5. — С. 656–662.

14.              Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов: ГОСТ 30178–96. — [Действующий от 1998–01–01]. — М.: Ин-т пит. РАМН, 1998. — 12 с. — (Межгосударственный стандарт).

15.              Сырье и продукты пищевые. Методы определения токсичных элементов: ГОСТ 26929–86, ГОСТ 26930–86 — ГОСТ 26934–86. — [Действующий от 1989–01–07]. — М.: Ин-т пит. РАМН, 1986. — С. 3–81. ― (Государственный стандарт Союза ССР).

16.              Трахтенберг И. М. Ртуть и её содержания в окружающей среде / И. М. Трахтенберг, М. Н. Коршун. — К.: Вища школа, 1990. — 229 с.

17.              Тяжелые металлы в окружающей среде и их влияние на организм / Р. С. Гильденскиольд, Ю. В. Новиков, Р. С. Хамидулин и др. // Гигиена и санитария. — 1992. — № 5–6. — С. 6–9.

18.              Хочачка П. Биохимическая адаптация / П. Хочачка, Дж. Сомеро. — М.: Мир, 1988. — 568 с.

19.              Rudneva I. I. Environmental and security challenges in the Black Sea region / I. I. Rudneva, E. Petzold-Bradley // In Environmental conflicts: Implications for Theory and Practice. — Netherlands: Kluwer Academic Publishers. — 2001. — P. 189–202.