2015-05-30
2895
Нормальное течение обменных процессов, лежащих в основе жизнедеятельности целостного организма или отдельной клетки, контролируется огромным количеством ферментов, объединенных в сложные взаимосвязанные системы. В любой клетке животного организма одновременно действуют многие сотни ферментов, организованные, в самостоятельные органеллы или надмолекулярные комплексы, встроенные в биомембраны. В настоящее время число идентифицированных ферментов превышает 800 и их описок непрерывно пополняется.
Как известно, в основе токсического действия различных по природе групп веществ лежит нарушение функций того или иного фермента, той или иной ферментной системы, контролирующей белковый, липидный, углеводный, минеральный или энергетический обмен.
Холинэстераза. В соответствии с современной номенклатурой ферментов различают два типа холинэетераз: ацетилхолинэстеразу и холинэстеразу. Первый из этих ферментов локализован в мозговой ткани, синаптических ганглиях, эритроцитах, а второй в сыворотке крови, печении в некоторых других органах и тканях.
|
|
|
Исследования активности холинэстеразы при фенольном отравлении показали, что ее уровень у подопытных рыб претерпевает весьма существенные изменения по ходу развития интоксикации. Через 7 мин после погружения подопытных карасей в раствор фенола (100 мг/л), во время которого у них отмечается сильнейшее двигательное возбуждение, активность мышечной холинэстеразы у подопытных рыб почти в два раза ниже, чем у контрольных.
Анализ изменения активности холинэстеразы во времени показывает, что максимальное ее падение приходится на 60-ю минуту токсического воздействия фенола на рыб. Именно к этому сроку караси полностью теряют подвижность, и только впоследствии у них появляются редкие импульсивные перемещения (чаще по кругу) в боковом положении. К 120-й минуте у подопытных карасей имеет место некоторое повышение активности холинэстеразы (на 32%) в сравнении с ее активностью, зарегистрированной на 60-й минуте, но на все еще значительно ниже, чем у контрольных карасей.
Полученные в этой серии опытов данные, свидетельствующие о резком торможении активности холинэстеразы – важнейшего звена ацетилхолинового метаболизма, позволяют понять биохимическую основу 2-фазового действия фенола на рыб. По-видимому, первоначальное возбуждающее действие фенола на рыб, проявляющееся в сильнейшей, но кратковременной двигательной реакции, обусловлено торможением холинэстеразы фенолом (прямым или каким-либо косвенным путем), которое приводит к стабилизации «физиологического» ацетилхолина. Последующее накопление ацетилхолина до максимальных концентраций лежит в основе парализующего действия фенола, имеющего место во второй стадии фенольной интоксикации. Таким образом, два наиболее типичных эффекта фенольной интоксикации – возбуждающее и парализующее действие – можно толковать как результат инактивации холинэстеразы, и, следовательно, накоплении ацетилхолина в холинэргический синапсах.
|
|
|
Экспериментальные данные по характеру и выраженности влияния фосфорорганических пестицидов на активность АХЭ мозга рыб показали, что все пестициды вызывают различный по выраженности и длительности антихолинэстеразный эффект у исследованных видов рыб. Только у некоторых рыб (ушастый окунь, сомик-кошка) не удалось обнаружить отрицательного влияния фосфорорганического пестицида на активность АХЭ мозга.
Сходство реакции рыб и теплокровных животных на фосфорорганические пестициды проявляется не только в самом факте ингибиронания АХЭ мозга, но и в скорости развития этого эффекта. Снижение активности АХЭ мозга рыб происходит в первые часы контакта рыб с ядохимикатами задолго до летального исхода. Выраженность антихолинэстеразного эффекта, вызываемого фосфорорганическимипестицидами, у рыб находится в прямой зависимости от концентрации ядохимиката и времени его действия. Летальные концентрации фосфорорганических пестицидов вызывают более глубокое угнетение АХЭ мозга рыб, чем сублетальные.
Изучение холинэстеразы крови рыб, показало, что субтоксические концентрации пестицидов снижали активность АХЭ крови на 49–55%. а токсическая – на 72–75%, печени снижение активности АХЭ может доходить до 100%.
Это позволяет диагностировать отравление рыб фосфорорганическими пестицидами по степени угнетения АХЭ крови прижизненно, а печени и мышц – посмертно.
Угнетение активности АХЭ мозга и крови рыб может быть вызвано не только фосфорорганическими пестицидами, но и многими другими токсикантами, обладающими нервно-паралитическим действием (фенолы, аммоний, карбаматные и хлорорганические пестициды, сине-зеленые водоросли и их токсины). Следовательно, использовать этот биохимический показатель для оценки степени загрязнения водных экосистем фосфорорганическими пестицидами, т. е. для индикации, можно с осторожностью наряду с определением остаточных количеств этих пестицидов в рыбах, исключив при этом наличие других токсикантов в воде и гидробионтах.
Аденозинтрифосфатазы. Аденозитрифосфатаза (АТФ-аза) осуществляет ферментативный гидролиз важнейшего макроэргического соединения – аденозинтрифосфаты (АТФ), играющей главную роль в энергетическом режиме клетки.
Согласно современным представлениям АТФ-азы имеют важное значение для ионной и осмотической регуляции, играя воль своеобразного натриевого насоса у пресноводных рыб. Напомним, что основным элементом осморегуляции пресноводных рыб является активный транспорт натрия и хлора через жабры из воды во внутреннюю среду. Ведущую роль в этом процессе играет проницаемость жаберного эпителия для воды и солей, которая собственно и регулируется локализованными в жабрах Na+, K+ и Мg;++ активируемыми АТФ-азами. Уровень активности этих ферментов в жабрах, а также в почках у рыб определяет интенсивность и направленность транспорта ионов и воды.
Экспериментальные данные свидетельствуют, что многие хлорорганические пестициды вызывают четко выраженное торможение активности Na+, К+, и Mg++ активизируемых АТФ-аз мозга, жабр, почек у морских, пресноводных и проходных рыб. Это дает основание считать, что уровень антивности АТФ-аз может служить важным биохимическим показателем токсического действия хлорорганических соединений. Не исключено, что и другие токсические вещества оказывают ингибирующее действие на АТФ-азы рыб, но это не может служить препятствием для их практического использования в ихтиотоксикологических исследованиях.
|
|
|
Тиаминаза (тиамингидролаза). Это фермент, играющий важную роль в обеспечений нормального хода обменных процессов с участием витамина В1 (тиамина). Тиаминаза расщепляет тиамин на тиазол и пиримидин, лишенных биологической активности, т. е. является естественным регулятором действия тиамина. Увеличение активности тиаминазы в различных тканях приводит к снижению количества тиамина и нарушению нормального хода биохимических процессов, характерных для В1-авитаминоза.
Многократно воспроизведенными опытами на разных видах рыб (окунь, судак, язь, плотва, лещ, толстолобик, красноперка) показано, что под действием метаболитов, продуктов распада сине-зеленыхводорослей возрастает активность тиаминазы, снижается содержание тиамина, что провидит к развитию специфического B1-авитаминоза с характерным для него симптомом паралича и последующей скоротечной гибелью. Выраженность изменений системы тиаминаза – тиамин, а также время появления признаков паралича и гибели рыб определяются количеством внесенных в аквариумы сине-зеленых водорослей и видовыми особенностями – токсикорезистентностью рыб.
8.2. Механизм действия токсикантов на центральную и вегетативную нервную систему рыб
Многие токсические вещества, поступающие в рыбохозяйственные водоемы (фенолы, смолы, дегти, алкалоиды, сапонины и терпены, продукты выщелачивания древесины, хлорорганические и фосфорорганические пестициды, производные карбамиловой кислоты, некоторые гербициды и альгициды, а также ряд неорганических веществ), обладают так называемым нервно-паралитическим действием, т. е. оказывают прямое или косвенное влияние на нервную систему теплокровных животных и человека.
Какова же роль центральной нервной системы в развитии внешнего симптомокомплекса отравления рыб нервными ядами? Ответить на этот вопрос помогла серия экспериментов по выявлению роли центральной нервной системы в развитии внешнего симптомокомплекса отравления рыб ядами органического ряда на модели фенольной интоксикации карасей.
|
|
|
В первой серии опытов было предпринято изучение возможности торможения (блокирования) реакции рыб на фенольное раздражение посредством использования препаратов, угнетающих центральную нервную систему (наркоз): уретана (центрально действующий) и новокаина — препарата из группы анестетиков, который, проникая в общий круг кровообращения, вызывает типичный наркотический эффект. Использовали 0,5, 1 и 2%-ный растворы уретана и 0,25, 0,5 и 1%-ный растворы новокаина. Наркотизированных карасей помещали в растворы фенола концентрацией 50, 100, 400 и 800 мг/л.
Установлено, что у карасей, наркотизированных уретаном и подвергнутых токсическому воздействию фенола концентрацией 100 мг/л, резко увеличивается латентный период первичной реакции на фенольное раздражение, т. е. наркоз предупреждает и временно снимает все внешние проявления фенольной интоксикации рыб. Выраженность купирующего действия уретана находится и прямой зависимости от глубины наркоза, который и свою очередь при неизменной концентрации наркотика, определяется временем нахождении рыб в растворе уретана.
Интенсивность двигательной активности, наркотизированных карасей, погруженных в токсический раствор фенола, не претерпевает существенных изменений, если сравнивать средние величины двигательной активности.
Интересно отметить, что уретановый наркоз (15-минутная экспозиция в 2%-ном растворе) не оказывает существенного влияния на продолжительность жизни испытуемых карасей.
Новокаиновый наркоз также предупреждает и временно снимает возбуждающее действие фенола на рыб. Как и в опытах с уретаном, выраженность тормозного влияния новокаина на внешний симптомокомплекс фенольной интоксикации рыб определяется глубиной наркотического эффекта, зависящей от продолжительности наркотизации.
После возвращения карасей в чистую воду уже через 4 ч восстанавливался рефлекс равновесия и появлялась заметная двигательная активность, хотя по внешнему виду они все еще находились в несколько угнетенном состоянии, что свидетельствует об обратимости фенольной интоксикации, которая убедительно более высокая у наркотизированных карасей в сравнении с контрольными. Важно отметить, что в опытах с фенольной интоксикацией обнаружилось, что наркотизированные караси обладали большей устойчивостью: из 15 контрольных карасей погибли 13 в среднем за 6,2 ч. а из 15-наркотизированных новокаином погибли только 2 и 13 карасей (86,6%) выжили.
Таким образом, полученные экспериментальные данные показывают, что наркотизация рыб уретаном и новокаином приводит к резкому торможению внешнего симптомокомплекса фенольной интоксикации и значительному увеличению латентного периода реакции. Наряду е этим существенно изменяется время и процент гибели подопытных рыб, а также степень и скорость обратимости токсического процесса. Тормозное влияние, новокаина на внешний симптомокомплекс фенольной интоксикации и исход отравления выражено в значительно большей степени, чем аналогичный эффект уретана. Объяснить полученные результаты можно тем, что новокаин не только обладает центральным наркотическим эффектом, но и ярко выраженной проводниковой анестезией, препятствующей передаче импульсов с периферии в центр. Суммируя полученные экспериментальные данные, можно сделать вывод, что токсическое действие фенола на рыб осуществляется через центральную нервную систему. Именно она определяет внешний симптомокомплекс фенольной интоксикации, проявление которой можно полностью предотвратить или временно предупредить, изменяя исходное функциональное состояние центральной нервной системы.
Головной и спинной мозг. Р оль головного и спинного мозга в симптомокомплексе фенольной интоксикации рыб показали опыты, которые проводили на трех группах подопытных карасей. У рыб первой группы проводили оперативное разобщение головного и спинного мозга на уровне грудных плавников (несколько ближе к голове), у особей второй группы извлекали головной мозг из черепной коробки, а у рыб третьей группы удаляли только передний мозг. Часть опытов была поставлена на препарате изолированной головы, приготовленном таким образом, что сохранялись оба грудных плавника. Такая постановка опытов позволяла проследить за реакцией мышц грудных плавников, использованной в качестве индикатора возбуждения в центральной нервной системе под действием фенола. Во всех опытах применяли остро токсичную концентрацию фенола (100 мг/л) и проводили регистрацию двигательной активности рыб. Функциональное состояние спинальных рыб и препарата изолированной головы определяли путем раздражения переменным током по первичной реакции и перемещению спинальных рыб в поле электрического тока.
В первой серии опытов, проведенной на 25 спинальных карасях, у которых был удален головной мозг, было установлено, что реакция рыб на токсическое воздействие фенолом, проявляющаяся в бурной двигательной активности и последующих судорогах, полностью отсутствовала. Спинальные рыбы, погруженные в раствор фенола концентрацией 100 мг/л, оставались совершенно неподвижными на всем протяжении наблюдений, не удалось отметить и каких-либо судорожных явлений. Под воздействием переменного электрического тока спинальные рыбы вздрагивали и перемещались.
Из данных этой серии опытов следует, что головной мозг играет определяющую роль в реакции рыб на воздействие фенолом.
Специальные опыты были проведены на обезглавленных карасях. При этом обезглавленные караси также не реагировали на токсическое воздействие фенолом, как и караси, у которых был полностью вылущен головной мозг. Реакция на электрический ток у обезглавленных карасей сохранялась.
Следующая серия опытов, поставленная на 25 карасях, была проведена для выявления влияния высокой перерезки спинного мозга на внешнюю картину фенольной интоксикации. Для этого спинной мозг отделялся от головного на уровне грудных плавников. Поведение карасей в растворе фенола несколько отличалось от поведения карасей, у которых разобщение спинного и головного мозга достигалось посредством полного удаления головного мозга. У большинства подопытных карасей, погруженных в раствор фенола, отмечались беспокойные движения грудных плавников и мышц головы. Однако рыбы оставались неподвижными, лежа на дне аквариума. Иногда у некоторых особей наблюдались, редкие вздрагивания всего туловища, но судороги, подобные тем, которые отмечались у контрольных карасей, так и не развивались.
Таким образом, отделение спинного мозга от головного на уровне грудных плавников приводило к более или менее полному снятию фенольной реакции и прежде всего ее наиболее характерных компонентов: двигательной активности и судорог.
Как известно, передний мозг костистых рыб играет ведущую роль в дифференциации запаховых раздражителей. Кроме того, передний мозг рыб принимает участие в сложной координирующей деятельности центральной нервной системы. Поскольку фенол обладает выраженным запахом, можно предположить, что раздражение, поступающее по обонятельному тракту в передний мозг, определяет латентный период наступающего возбуждения в центральной нервной системе рыб. Для проверки этого предположения были проведены опыты на 15 карасях с вылущенным передним мозгом. Через 24–72 ч оперированных рыб, у которых не было заметных нарушений в статической или моторной функции, помещали в раствор фенола (100 мг/л). Опыты показали, что реакции карасей на фенольное раздражение ничем существенно не отличалась от реакции контрольных карасей и развивалась полностью. Средний латентный период фенольной реакции подопытных карасей оказался весьма близким к латентному периоду контрольных карасей. Данные этой серии опытов позволяют отвести предположение, что переднему, мозгу рыб может принадлежать ведущая роль в определении скорости развития первоначального двигательного возбуждения, наступающего под влиянием фенола. В описанной выше серии опытов по влиянию фенола на карасей, у которых была проведена перерезка спинного мозга на уровне грудных плавников, установлено, что хотя основные компоненты реакции рыб на фенольное раздражение были сняты, у рыб отмечались движения грудных плавников и судорожные подергивания головы.
Опыты на изолированных головах, помещенных в токсический раствор фенола, показали, что через 2–4 мин после погружения в раствор отмечаются сильные и беспорядочные движения парных грудных плавников. Сокращение мускулатуры грудных плавников настолько интенсивное, что вызывает перемещение головы по дну аквариума. Одновременно наблюдаются сокращения мышц головы и вращательные движения глазных яблок. Частота дыхания, вначале высокая, постепенно убывала, при этом амплитуда дыхательных движений также значительно уменьшалась. Все отмеченные в опытах на препарате изолированной головы реакции со стороны мышечной системы грудных плавников, головы и глазных яблок продолжались не более 7–12 мин, затем прекращались. Однако, даже через 1 ч, когда движение крышек очень редкое и еле заметное, препарат изолированной головы реагировал вздрагиванием на воздействие электрическим током.
Из полученных данных можно сделать вывод, что в основе отмеченных реакций препарата изолированной головы на воздействие фенолом лежат нервные импульсы, генерируемые в головном мозгу и посылаемые по 4 парам черепно-мозговых нервов
В заключение остановимся на результатах еще одной серии опытов по выявлению влияния разобщения спинномозговых путей на время гибели рыб в токсическом растворе фенола. Оперированные караси поступали в опыт через 24 ч после высокой перерезки спинного мозга. Полученные материалы показывают, что разобщение нервной связи между центром и периферией не оказывает существенного влияния ни на исход фенольной интоксикации, ни на время гибели рыб.
Анализируя приведенные данные можно сделать вывод, что головной мозг играет ведущую роль в определении наиболее характерных компонентов реакции рыб на токсическое действие ядов органического ряда: двигательной, активности вначале и судорог впоследствии. Полное удаление головного мозга приводит к тому, что ни одна из этих реакций так и не развивается на протяжении всего опыта. Локомоторный аппарат спинного мозга приводится в действие импульсами из головного мозга. Следовательно, спинной мозг является обычным звеном рефлекторной дуги и выступает как орган, проводящий импульсы, вызванные фенольным раздражением, из различных отделов головного мозга к периферическому нейромускулярному аппарату рыб. Установлено, что спинной мозг имеет важное значение в реакции рыб на ток, чем головной, в то время как в опытах с фенолом ведущую роль играет головной мозг, причем различные его отделы (продолговатый, средний, промежуточный и передний) имеют далеко неравноценное значение в определении характера реакции рыб на фенольное раздражение.
Опыты на карасях, лишенных переднего мозга, показали, что скорость наступления и динамика развитии комплекса реакций, обусловленных воздействием фенола, у оперированных и интактных рыб почти не различаются.
Следует вспомнить также, что одной из самых ранних и типичных реакций рыб на фенольное раздражение наряду с бурной локомоторной деятельностью является потеря рефлекса равновесия, а центры равновесия, как известно, относят к основанию среднего мозга. Все это свидетельствует о том, что средний мозг играет ведущую роль в развитии целой гаммы рефлекторных реакций рыб на воздействие ядов органической природы.
Наряду со средним мозгом важную роль в определении характера и исхода фенольной интоксикации у рыб играет продолговатый мозг, представляющий собой многозначный рефлекторный центр важнейших функций организма. Есть основание полагать, что основной причиной гибели рыб в токсических растворах многих ядов органической природы является необратимый паралич дыхательного центра, расположенного в продолговатом мозге.
Хеморецепторы. Согласно современным представлениям сенсорной физиологии первичное восприятие химических раздражителей осуществляется специализированными хеморецепторами – специальными образованиями, в которых происходит трансформация энергии раздражающего стимула в сигналы, несущие нервным центрам информацию о действующем агенте. У рыб, как и у других позвоночных животных, восприятие многочисленных химических раздражителей, поступающих в воду, осуществляется хеморецепторами. Сигналы, возникающие в хеморецепторах, направляется в центральную нервную систему, в результате чего организм получает информацию о присутствии в водной среде тех или иных химических соединений.
Химическая рецепция рыб включает обоняние, вкус и общее химическое чувство. Разделение первых двух видов химической рецепции рыб экспериментально обосновано с морфологических и физиологических позиций.
Что касается выделения общего химического чувства, отличного от вкусового, то его правомерность все еще дискутируется.
Важнейшим физиологическим свойством любого рецептора является чувствительность к адекватному стимулу. Уровень чувствительности оценивается порогом возбуждения, т. е. минимальной величиной стимула, способной вызвать возбуждение. Величина порога обратна величине возбудимости. Существуют различные методы регистрации обонятельных порогов пахучих веществ (условные рефлексы, поведенческие реакции, электрическая активность). С их помощью удалось установить, что рыбы обладают исключительно высокой чувствительностью обонятельных рецепторов, в сотни раз превышающей чувствительность обонятельной рецепции человека. Это позволяет рыбам воспринимать чрезвычайно малые концентрации химических веществ, обладающих запахами.
Электрофизиологическими исследованиями подтверждена высокая чувствительность обонятельной рецепции рыб, которые хорошо воспринимают различные органические соединения – спирты, кетоны, альдегиды, кислоты, эфиры, фенол и его производные.
Необонятельная химическая рецепция рыб (вкус и общая химическая чувствительность) так же высока, как и обонятельная. Рецепторный аппарат вкусовой системы рыб представлен вкусовыми почками, расположенными в слизистой оболочке ротовой полости на жабрах и наружной поверхности тела. Кроме того, восприятие химических раздражителей осуществляется свободными нервными окончаниями тройничного, блуждающего и спинномозговых нервов. Основными проводниками химической необонятельной рецепции служат блуждающий, языкоглоточный и лицевой нервы. Наружные вкусовые почки рыб высокочувствительны к различным веществам. Например, вкусовая чувствительность у гольянов по отношению к глюкозе в 1,6 раза, к фруктозе в 2,5 раза, хинину в 24 раза, а к поваренной соли в 205 раз выше, чем у человека.
Электрофизиологическими исследованиями показаны способность пресноводных рыб воспринимать химические вещества в очень низких концентрациях и наличие в небном органе карпа особой хеморецепторной системы, отвечающей специфично на разведенные растворы электролитов, интенсивность ответа зависит от валентности аниона. В опытах на пресноводном сомике выявлено существование двух типов кислотных волокон, одни из которых отвечают только на органические кислоты, а другие – на неорганические. Изучение электрической активности лицевого и небного нервов атлантического лосося при химическом раздражении области рыла и небного органа показало, что под влиянием слабых растворов солей, минеральных и органических кислот в афферентных нервах возникают разряды, величина которых зависит от концентрации и химической природы вещества.
Имеющиеся экспериментальные данные однозначно свидетельствуют о чрезвычайно высокой чувствительности рыб к различным группам химических веществ, что ставит их в особое положение по отношению к другим гидробионтам, в частности к водным беспозвоночным. Конечно, последние также обладают определенным уровнем чувствительности к токсикантам, поскольку химическая раздражимость – общее свойство живых клеток. Однако среди гидробионтов только рыбы обладают высоко развитой центральной нервной системой. И специализированными анализаторными системами, в частности химическим анализатором, специальное назначение которого – информировать организм о присутствии в окружающей среде разнообразных химических веществ.
Механизм действия токсикантов на центральную нервную систему рыб. В основе реакции рыб на фенол лежит его действии на центральную нервную систему, а именно на систему ацетилхолин – ацетилхолинэстераза. Первоначальная сильная стимуляция нервной системы, проявляющаяся в бурной двигательной активности и судорогах, определяется, по-видимому, стабилизацией физиологического ацетилхолина и его накоплением в холинергических синапсах центральной нервной системы рыб. Наступающие вслед за возбуждением угнетение и нейтральный паралич, обусловленные фенолом, могут быть поняты как следствие накопления ацетилхолина в синапсах мозга в чрезмерных концентрациях, вызывающих торможение. Увеличение уровня ацетилхолина в синапсах может быть достигнуто двумя путями: либо инактивацией ацетилхолинэстеразы, либо увеличением выделения ацетилхолина из нервных окончаний, либо, наконец, совместным действием обоих механизмов.
Таким образом, доказана ведущая роль центральной нервной системы в развитии сложного симптомокомплекса отравления рыб ядами органического ряда.
9. ТРАНСФОРМАЦИЯ ТОКСКАНТОВ В СРЕДЕ И ТЕЛАХ ГИДРОБИОНТОВ
9.1. Превращение токсических веществ в водной среде под влиянием абиотических факторов
Поступающие в водоемы токсиканты обычно включаются в круговорот веществ и претерпевают различные превращения. Малостойкие и летучие вещества оседают на дно или улетучиваются, окисляются, связываются солями буферной системы воды или разлагаются под действием микроорганизмов и быстро подвергаются детоксикации. Они оказывают на гидробионтов прямое токсическое или косвенное воздействие, ухудшая физические свойства воды, газовый и солевой режимы водоемов.
В распределении и превращении веществ, поступивших в водную среду, могут играть роль процессы различной природы:
· физические (механическое перемешивание, осаждение, адсорбция и десорбция, улетучивание, фотолиз);
· химические (диссоциация, гидролиз, комплексообразование, окислительно-восстановительные реакции);
· биологические (разрушения и превращения с участием ферментов и метаболитов, поглощение живыми организмами, захоронение с отходами жизнедеятельности);
· геологические (породообразование).
Вещества в водной среде распределяются между различными фракциями и фазами. Помимо растворенных форм, проникающих через фильтры с сечением пор до 0,45 мк, происходит образование слаборастворимых соединений и комплексов, адсорбция их органическими и неорганическими взвесями, поглощение грунтами и донными осадками, т.е. происходит изъятие из водной фазы большой доли веществ. Значительная часть нефти и нефтепродуктов, пестицидов, ПАВ локализуется в поверхностной пленке, толщиной до нескольких десятков микрон. В океанических водах концентрация металлов в этом слое в 10–1000 раз превышает концентрацию металлов в нескольких сантиметрах от поверхности.
Металлы. Металлы в растворимой фракции могут встречаться в виде свободных гидратированных ионов, неорганических ионов, соединений и комплексов, органических комплексов и хелатов, комплекса с высокомолекулярными соединениями (гуминовыми кислотами, полисахаридами). Так исследование форм меди в природных водах показало, что только растворимая фракция включает гидратированные ионы Cu(H2О)х+n, неорганические соединения образуют комплексы с гидроксилом и другими ионами Cu(OH)-4 ,Cu(OH)2, CuCO3, Cu(CN)-, CuCl2-2, органические комплексы образуются с пептидами, порфиринами, гуматами. Нерастворимая фракция включает медь, адсорбированную Fe(OH)3, взвесью неорганических частиц, CuS, CuO, и адсорбированную клетками водорослей и организмами, составляющими зоопланктон. В результате, менее 0,5% меди присутствует в водной среде в виде свободного иона. Фракция коллоидов может включать гидроксиды и окислы металлов с размером частиц до 150 мкм. Важную роль в адсорбция металлов играют мицеллы гидроокиси железа и гидратированного диоксида марганца. В коллоидной фракции металлов содержится на порядок больше, чем в ионном виде.
Переходные элементы могут изменять валентность, как например Сr (VI) переходит в морское среде в Сr (Ш) с быстрым осаждением и захоронением в дойных осадках.
Существенна роль кислорода в химических превращениях веществ и в определении формы существования этих веществ в водной среде. Восстановленные формы элементов обычно образуют более растворимые соединения, чем окисленные. Это оказывается одной из причин повышения концентрации растворенных соединений при дефиците кислорода в воде.
Комплексные соединения, которые представляют собой сочетание двух или нескольких простых молекул, образование которых не связано с формированием новых электронных пар, имеют определяющее значение для баланса различных форм металлов в водной среде. Комплексные соединения металлов образуются за счет взаимодействия с лигандами – реакционно-способными группами присутствующих в воде соединений. Обычно лигандами служат группы СO2, OH, NH3, Cl, I, PO4. Органические комллексообразователи включают поликарбоксиловые соединения, аминокислоты, жирные, гуминовые кислоты, хелаты, различные экзометаболиты гидробионтов. С увеличением валентности связываемых металлов стабильность комплексов возрастает.
Хелаты или клешневидные соединения широко распространены в природных водах. По сродству к хелатообразованию металлы располагаются в следующей последовательности:
Hg2+, Cu2+, Ni2+, Pb2+, Co2+, Zn2+, Fe2+, Cd2+, Mn2+
Мелкодисперсные взвеси связывают на единицу веса больше металлов, чем крупнодисперсные. Поверхность большинства частиц взвесей и коллоидов имеет отрицательный заряд, что способствует их взаимодействию с катионами.
Для распределения металлов между фазами основополагающее значение имеет рН среды. Например: Zn при рН=7 осаждается в виде Zn(OH)2, ZnO, Zn3(PO4)2, ZnCO3. В результате осаждения концентрация большинства металлов быстро снижается с удалением от источника загрязнения. В пресных водах быстро убывает концентрация Pb, Zn, Cr, Cd (уже в сотнях метров от источника загрязнения), но не Ni, Cu, Со, Mn. В морской воде концентрация многих загрязняющих веществ снижается быстрее, чем в пресной.
Основная часть исчезнувшего из воды вещества переходит в грунт, в результате чего грунты часто содержат необычайно высокие уровни загрязняющих веществ, в то время как концентрация их в воде может и не быть повышенной. В донных осадках металлы содержатся в виде карбонатов, сульфидов и в связанной с органическими осадками состоянии. Важная роль в концентрировании ртути, цинка, марганца, железа, мышьяка отводится детриту. Взмучивание и изменение комплексообразующих свойств водной среды приводит к изменению концентрации ионов в воде при естественном изменении условий. Уровень металлов в воде повышается в период паводков и дождей.
Все эти превращения изменяют поступление токсических веществ в водные организмы. Повышенные концентрации вещества, способного связывать ионы и молекулы токсического агента, и прочность этих связей снижают «биодоступность» или «физиологическую доступность» токсиканта для гидробионтов.
Органические соединения также проходят в водной среде разнообразные превращения. Важную роль в превращении пестицидов играют температура, растворенный кислород, активность водородных ионов, свет, особенно в коротковолновой области. Окисление кислородом воздуха может приводить к образованию гидроперикесей. Реакции окисления приводят в основном к разрыву двойных связей, дехлорированию, изомеризации, фотоминерализация.
Различные химические вещества могут выступать в роли химических модификаторов. Металлы способствуют восстановлению пестицидов. Причем в присутствии разных металлов ассортимент промежуточных и конечных продуктов бывает различным. Такие реакции в присутствии металлов в верхних слоях воды могут ускоряться ультрафиолетовой радиацией солнца.
Важное значение в превращении органических соединений имеют реакция гидролиза. Гидролиз приводит к быстрому превращению органических хлоридов в гидроксиды, к быстрому разрушению карбаматов и другим превращениям.
Разнообразие этих превращений приводит к тому, что зачастую не известно, в каком виде исходное соединение вступает в контакт с тканями организма.
9.2. Пути поступления токсикантов в тела гидробионтов. Накопление веществ компонентами водных экосистем. Коэффициент биомагнификация, коэффициент распределения.
Поступать в организм гидробионтов вещества могут непосредственно через поверхность клетки или тела, через жабры и через желудочно-кишечный тракт. Препятствием к поглощению через поверхность тела служат чешуя рыб, раковины и панцири беспозвоночных.
У рыб некоторые вещества, а особенно тяжелые металлы, активно связываются муцином слизи и накапливаются на поверхности тела. Вероятно, через кожу непосредственно поступления не происходит.
Иногда тот или иной орган служит преимущественным путем поступления вещества. Так, описано преимущественное накопление свинца микроскопической зеленой водорослью Platymonas subcordifomis через жгутик. Лишенные жгутиков особи накапливали металла гораздо меньше, чем нормальные клетки. Дафния способна накапливать вещества особенно активно через поверхность антенн.
Транспорт веществ через клеточные мембраны происходит путем простой диффузии по градиенту концентрации фильтрацией через поры в мембране, что важно для небольших гидрофильных молекул радиусом менее 4А, путем пиноцитоза или через активный транспорт с участием переносчиков и с затратой энергии.
Скорость проникновения через мембраны ионов и заряженных молекул зависит от молекулярного объема: с увеличением объема скорость проникновения снижается. Если заряд иона совпадает по знаку с зарядом участка мембраны, он отталкивается, а если знаки противоположны, то происходит фиксация иона на этом участке.
Вследствие большого объема, а также в связи с взаимодействием зарядов, прохождение иона через мембрану затрудняется и он оказывает местное поверхностное действие. В связи с этим многие металлы поражают прежде всего жабры. По этой причине неорганические соединения ртути, способные диссоциировать, нарушают проницаемость жаберного эпителия, нейтральные молекулы ртутьорганических соединений, проникая через внешние мембраны, легко достигают внутренних органов, где быстро проявляется их эффект. По этой же причине хелаты металлов, несущие меньший заряд, активнее проникают в ткани гидробионтов, чем их ионы. Легко в клетку проникают ионы, для которых в мембране существует механизм избирательной проницаемости или которые могут переноситься в связанном состоянии. Некоторые ионы проникают через транспортную систему, предназначенную для других соединений. Так, мышьяк проникает в клетку через транспортную систему фосфатов, в результате чего в водах, бедных фосфором, накопление мышьяка идет активнее.
Высокой проникающей способностью обладают липофильные соединения или неэлектролиты. За счет липофильности эти вещества активно переходят из водной фазы окружающей среды и тканевых жидкостей в структуры клеток, накапливаясь здесь до высоких уровней. Обратный переход затруднен, поэтому липофильные соединения концентрируются в тканях и долго могут здесь сохраняться, что делает их особо опасными. Допускают, что электролиты проникают только в клеточную оболочку и не проходят внутрь клетки. Однако такую возможность следует признать лишь для части липофильных соединений, обладающих очень высокой гидрофобностыо.
Проникновение неполярных молекул или молекул со слабовыраженными полярными свойствами в значительной степени не ограничено их молекулярным объемом. Если такие молекулы имеют не более трех гидрофильных групп и молекулярный вес не более 130, они легко проникают через мембраны. Проникающая активность молекул, несущих полярные группировки, зависит от соотношения полярной и неполярной частей и возрастает с увеличением неполярной.
Проникающая способность органических молекул возрастает с удлинением углеводородной цепи, с увеличением числа метил-, этил- и фенил-групп и быстро падает с введением гидрокси- и карбоксил-групп.
Если скорость поступления вещества в клетку превосходит скорость его выхода из клетки, происходит его накопление в тканях. Задержка вещества в клетке происходит за счет химических и физико-химических взаимодействий.
Все больше значение придается возможности активного накопления различных веществ клеткой и организмом.
Через стенки кишечника водных животных тяжелые металлы могут переноситься ди- и трипептидами и первичными аминами, однако часть их в связанном виде, не ассимилируясь, выводится из организма.
Hа активность накопления веществ гидробионтами влияют как факторы абиогенной природы, так и биологические характеристики организма. Увеличение концентрации ионов кальция или других щелочноземельных катионов в среде понижает, а преобладание щелочных – увеличивает проницаемость мембран. Кальций ингибирует накопление кадмия и это служит причиной обратного соотношения их содержания в тканях гидробионтов. Кадмий снижает накопление цинка, ртути и других металлов.
Взаимовлияние металлов может служить причиной корреляции их содержания в тканях гидробионтов. Так, например, показана количественная связь содержания в моллюсках цинка и меди, меди и серебра, кадмия и цинка. В крабах положительная корреляция отмечена для содержания меди и цинка, кадмия и стронция. Подобная взаимосвязь отмечена у рыб для содержания меди и цинка, железа и марганца, кадмия и цинка, селена и ртути. Особым вниманием пользуется характерная для многих гидробионтов более или менее постоянная пропорция содержания селена и ртути (1:1). Полагают, что селен выполняет некоторую детоксирующую роль при отравлении ртутью.
Повышение температуры увеличивает проникновение веществ через мембрану. Однако такое повышение проявляется лишь до некоторого предела температуры.
Способность гидробионтов накапливать вещества может изменяться с возрастом. Например, ни личинки устриц, ни молодые особи не накапливали цинк. Эта способность развивалась между 50 и 100 днями после оседания. Возможно, что активным накопление становится с возрастанием роли некоторых ферментов, содержащих металлы. Характерна способность гидробионтов повышать с возрастом и размерами способность к накоплению липотропных агентов.
Кинетику возрастания уровня загрязняющих веществ в тканях обычно объясняют, как результат равновесного состояния между процессами включения и выведения вещества, происходящими в одно и тоже время.
Однако довольно часто на практике не удается получить столь однозначной закономерности. Отклонения особенно заметны у мелких организмов, имеющих высокое значение соотношения поверхности тела к объему. Очевидно, это отклонение не случайно, так как процесс включения вещества определяется не только закономерностями абсорбции и диффузии, но и зависит от механизмов активного транспорта и систем выведения организма. Активность этих систем изменяется как функция состояния организма в целом.
Активность накопления различных веществ из окружающей среды выражается через соответствующие коэффициенты.
Коэффициент, описывающий отношение содержания вещества в тканях гидробионтов к концентрации в воде, как известно, называется коэффициентом накопления.
В случаях, когда необходимо определить относительную избирательность накопления двух веществ, используется коэффициент накопления по пищевой цепи, или коэффициент биомагнификации, который представляет собой отношение количества вещества в тканях хищника к количеству вещества в тканях жертвы. Накопление по пищевой цепи присуще соединениям липофильным или имеющим сродство к некоторым молекулам биосубстрата и в экологическом отношении оказывается опасным явлением. Такое накопление обусловлено следующими причинами. Для построения единицы массы некоторого трофического уровня организмы этого уровня должны потреблять в среднем десятикратное количество пищи. Вместе с этим количеством пищи организмы потребляет соответствующее количество токсического вещества, накопленного пищевым организмом. Из пищи усваивается только часть массы и почти все количество токсиканта. Аналогичная передача произойдет и на следующем трофическом уровне.
Для примера: биомагнификация ДДТ в компонентах пищевой цепи болота Южной Флориды характеризуется следующими данными: вода – 0,02 мкг/кг, перифитон – 7 мкг/кг, донный грунт – 16 мкг/кг, раки – 23 мкг/кг, рыбы – 19 мкг/кг, аллигатор – 352 мкг/кг, яйца хищных птиц – 16500 мкг/кг.
Кроме хлорорганических соединений и ртути способность к накоплению по пищевой цепи проявила медь, кадмий, марганец, кобальт, железо.
Иногда в экспериментальной практике исследуются коэффициенты распределения между тканями гидробионтов. Чаще других рассчитывается коэффициент распределения "ткань-кровь". Такой коэффициент может отражать локализацию вещества в той или иной ткани и выявить наиболее поражаемый орган гидробионта. Перераспределение вещества между тканями с течением времени может быть использовано для оценки сроков, прошедших после загрязнения водоема.
Способность вещества накапливаться в тканях связывают, как уже отмечалось, с их липофильностью. В качестве показателя липофильности часто используется коэффициент распределения вещества между несмешивающимися средами, например: вода – оливковое масло, вода – н-октанол. Связь коэффициента распределения между водой и н-октанолом (КР) и коэффициентом накопления (КН) в тканях может быть описана некоторыми уравнениями. Так для рыб Pimephalee promelas такое уравнение имеет вид:
Ig KH = 0,85 IgKP - 0,7
Величина коэффициента различна для разных условий опыта, видов гидробионтов и групп веществ.
Распределение веществ в тканях зависит как от специфических свойств элемента, так и от химической формы соединения, в котором находится элемент в среде. Показано, что при загрязнении водоема ртутью содержание хлористой ртути и метил-ртутьхлорида в жабрах, печени, сердце лосося составляло свыше 10 мкг/кг, в почках и мышцах – свыше 15 мкг/кг, в желудке, кишечнике и крови – менее 5 мкг/кг.
В природных условиях в моллюсках наибольший уровень меди обнаружился в крови и в левой почке. Высокий уровень никеля отмечался в поверхностных тканях (мантия, эпидермис ноги). Основная масса других металлов обнаруживалась в пищеварительной железе или правой почке, которая функционально, вероятно, отличается от левой.
У большинства видов высших водных растений в корнях тяжелые металлы накапливаются интенсивнее, чем в листьях.
У устриц в клетках кишечного эпителия и пищеварительной железы кадмия было больше, чем в жабрах и почках.
В тканях гидробионтов металлы находятся в связанном состоянии. У моллюсков металлы включаются в комплекс с таурином и представляют собой подвижный, легкодоступный резерв металлов. При появлении повышенных уровней металла в тканях у водных животных стимулируется синтез специфических протеинов, способных связывать ионы металлов в большом количестве. Эти протеины называют металлотионеинами и полагают, что они выполняют детоксицирующую задачу. Накопление металлов в составе металлотионеинов может достигать необычайно высоких уровней. Так, устрицы в естественных условиях могут накапливать цинка до 10%от сухого веса тканей без заметного вреда для себя.
Детальное исследование показало, что в сильно загрязненных водах в тканях моллюсков формируется по крайне мepe 5 комплексов с молекулярным весом менее 3000, один из которых – комплекс с таурином. Металлотионеиноподобные белковые комплексы образуют в тканях водных животных такие металлы, как кадмий, цинк, медь, ртуть.
Однако не все металлы связываются преимущественно с протеинами. Так у тунцов мышьяк концентрируется главным образом в липидной фазе.
Активность и возможность синтеза металлотионеинов зависит от условий воздействия и состояния организма. У краба металлотионеины синтезировались при действии кадмия, но не меди или ртути. При действии кадмия повышается концентрация металлотионеинов и у креветок.
У балянусов цинк осаждался в клетках паренхимы в виде гранул в значительных количествах. Основным компонентам этих гранул является фосфат цинка. В меньших количествах в состав гранул включаются железо и медь. Депонирование цинка в тканях моллюсков осуществляется в виде гранул с белковой природы. У рыб уже в кишечнике образуются гранулы, связывающие металлы и препятствующие их поглощению тканями.
Полагают, что в обычном состоянии некоторый запас металлов сохраняется в организме гидробионтов в виде низкомолекулярных металлоорганических комплексов. При избытке металла, возникающем вследствие нахождения организма в загрязненной среде, его избыточное количество начинает связываться с белковыми молекулами, очевидно, специально синтезируемыми втканях для этих целей. В виде этих металлотионеиноподобных соединений, выполняющих депонирующую роль, избыток металлов сохраняется в тканях. Переизбыток металлов в тканях может быть со временем захоронен в еще более высокомолекулярных соединениях, образующих гранулы в клетках беспозвоночных или в клеточных стенках водных растений.
Выделение остатков поглощенных организмом превращенных в процессе детоксикации чужеродных соединений происходит через печень, почки или заменяющие их органы, через поверхность клеток и тела, через органы дыхания с половыми продуктами и слизью. Содержания веществ в тканях обычно оценивается по периоду «полураспада» и «полувыведения», т.е. по времени снижения содержания вещества вдвое в организме или отдельной ткани. Например, для моллюсков период полувыведения ртути составляет от 15 сут. (в гонадах) до 60 сут. (пищеварительные железы, нога). Нафталин активно выводится мидиями через жабры и почки. Причем, этот процесс активнее проходил у особей, предварительно перенесших экспозицию нафталином в меньших концентрациях.
Таким образом, поглощение веществ из водной среды как и выведение, может происходить многими путями. Активность этих процессов зависит от свойств веществ, таких как липофильность, растворимость в воде, размер молекулы, а также от свойств среды, концентрации вещества и присутствия других соединений, не маловажны биологические свойства вида и индивидуальное состояние особи.
9.3. Биохимические механизмы трансформации токсикантов в телах гидробионтов
Установлено, что чужеродные соединения (ксенобиотики), поступающие в организм млекопитающих, претерпевают превращения, которые идут в два этапа.
На первом этапе (биотрансформация) происходят различного рода метаболические превращения (окисление, восстановление, гидролиз, дегидрохлорирование, десульфирование и др.), ведущие к появлению в молекуле ксенобиотика новых функциональных групп, повышающих ее полярность. В результате токсичность вещества может быть либо ослаблена (детоксикация), либо усилена (токсификация).
Биотрансформациячужеродных соединений катализируется ферментами, локализованными в микросомальной фракции клеток печени и других тканей. У теплокровных животных это – система смешанных оксидаз. Они осуществляют превращения разных по строению органических соединений при участии АДФ-Н2 и молекулярного кислорода. Активированный НАДФ-Н2 кислород в присутствии различных микросомальных гидроксилаз окисляет ядовитое соединение, изменяя его токсические свойства в сторону ослабления или усиления. Например, фосфорорганические соединения подвергаются в организме биологической активаций в результате окислительной десульфурации, т. е. отщепления серы и замены ее кислородом.
Доказано, что рыбы имеют все ферменты, необходимые для метаболизма липидорастворимых чужеродных веществ, а реакции, катализируемые этими энзимами, аналогичны таким реакциям у млекопитающих.
Помимо фосфорорганических пестицидов микросомальные ферменты печени рыб катализируют метаболические превращения других ядовитых соединений, в частности различных нефтепродуктов и полициклических ароматических углеводородов.
Акцентируя внимание на принципиальном сходстве ферментных систем, осуществляющих метаболические превращения ксенобиотиков у рыб и млекопитающих, необходимо иметь в виду, что метаболизм чужеродных соединений и организме рыб происходит медленнее, чем у млекопитающих.
Принципиальное сходство между рыбами и млекопитающими в их реакции на токсические вещества заключается в том, что ксенобиотики, поступая в организм рыб, способны индуцировать у них образование ферментов, катализирующих метаболические превращения чужеродных соединений. Например, активность гидроксилаз, металлизирующих растворенные нефтепродукты и некоторые полициклические ароматические углеводороды, заметно возрастает в тканях рыб (печень, жабры, почки), подвергшихся токсическому воздействию этих веществ как в экспериментальных, так и в естественных условиях.
Продукты метаболических превращений, катализируемые микросомальными ферментами печени, могут затем выделяться без каких-либо изменений, вступать в синтетические реакции конъюгации, подвергаться метаболизму с помощью нормальных процессов обмена и, наконец, аккумулироваться в тканях. Реакцию конъюгации справедливо рассматривают как истинную детоксикацию различных ядов.
Второй этап метаболических превращений многих ксенобиотиков, обладающих токсическими свойствами – конъюгация, которая представляет собой биосинтез, при котором чужеродные соединения или их метаболиты соединяются с легкодоступными субстратами (например, глюкуроновая кислота, сульфат, ацетил, метил, глицин), образуя конъюгаты. Конъюгация происходит путем присоединения к функциональной группе чужеродного соединения, в результате этого молекула становится более полярной, менее липидорастворимой и поэтому более легко выделяемой из организма животного. Как и метаболические превращения, реакции синтеза и конъюгации протекают при участии специфических ферментов.
Необходимо отметить, что описываемые процессы, могут иметь место и вне тканей живых организмов. Для превращений, происходящих в водных микроорганизмах, особое значение имеет микрофлора, обитающая в полостях этих макроорганизмов-хозяев. Некоторые превращения, которые ранее относили на счет реакций метаболизма рыб, как оказалось, осуществляется при участии обменных реакций микроорганизмов кишечника.
Так, при участии микроорганизмов происходит окислительно-восстановительное превращение кобальта, хрома. Аэробные микроорганизмы преобразуют вещества путем окисления, а анаэробные путем восстановления.
Считают, что свыше 90% ртути, содержащейся в рыбе, включено в метилртуть. Если метилртуть является продуктом детоксикации, то процесс ее образования является детоксикацией для микроорганизмов, но не для организма-хозяина или других гидробионтов, накапливающих метилртуть из окружающей среды. При участии микрофлоры происходит, в частности, образование хлористых и сернистых соединений ртути, как промежуточных производных в ее обмене.
Превращение большинства соединений осуществляется с участием ферментов нормального метаболизма. Главным итогом превращения соединений в тканях является повышение их растворимости в воде, благодаря которой ускоряется выведение вещества из организма.
Превращение чужеродных органических соединений идет через двухфазный процесс – метаболическое превращение и конъюгацию. Метаболические превращения включают одно или ряд окислений, восстановлений, реакций гидролиза, приводящих к появлению групп, повышающих полярность молекулы. Конъюгация – это взаимодействие с глюкуроновой, серной кислотами, аминокислотами. Эти превращения и приводят к возрастанию полярности и снижению липофильности. Кроме того, конъюгация ведет к блокированию функциональных групп молекул токсиканта, что снижает их токсичность. В результате фенол, например, переходит в фенил-сульфат, бензойная кислота в бензолглюкуронид, цианид в тиоцианат.
Механизм конъюгации различен у морских и пресноводных рыб. У пресноводных рыб реакции конъюгации не так развиты, как у морских, в связи с ограниченным набором ферментов.
При разрушении или превращении чужеродных соединений в организме могут образовываться и более токсичные производные. Это явление называют летальным синтезом. Особенно опасно включение этих производных в состав нуклеиновых кислот и белковых молекул.
ПРИМЕРНЫЕ ВОПРОСЫ К СЕМИНАРАМ
