Сравнительное изучение хронического воздействия ионов кадмия и свинца на динамику активности супероксиддисмутазы в тканях сеголеток карпа

человека, т.к. является основным морепродуктом. Рыба подвергается воздействию поллютантов через пищеварительную и дыхательную системы, а также через кожные покровы. Интегральная оценка здоровья рыб может служить обобщенным показателем состояния всей водной экосистемы [ 6 ] .

Результаты химического анализа состояния загрязненности водоема не дают полного представления о ее качестве для гидробионтов, поскольку воздействие загрязняющих веществ на организмы зависит от многих других условий, а сами вещества в природной среде представлены в широком спектре, охватить который аналитическими методами практически невозможно [ 9 ] . Поэтому для оценки загрязненности и качества вод в последние годы, наряду с химико-аналитическими методами, широко применяются токсикологические, в том числе биотестирование. Необходимо проводить исследования на различных уровнях организации живых систем. Нарушения, обнаруживаемые на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях, могут служить ярким показателем глубоких последствий для данного вида организмов задолго до того, как наступают необратимые изменения в численности, продуктивности и ареале вида.

Известно, что в реакции живого организма на токсическое воздействие ТМ важное место занимает усиление процессов свободнорадикального окисления липидов и нарушение функций анти-окислительных систем (АОС) [ 3, 14 ] . Параметры антиоксидантной системы могут служить удобными биомаркерами для оценки антропогенного воздействия на организм рыб и среду их обитания, а также для проведения эффективных природоохранных мероприятий в рыбохозяйственных водоемах.

Цель работы: изучение динамики супероксиддисмутазной (СОД) активности в тканях сеголеток карпа в условиях хронической интоксикации, вызванного ионами кадмия и свинца.

Материалы и методы исследования. Работа выполнена на базе лаборатории анатомии, физиологии, гистологии Дагестанского государственного университета. Материалом исследования послужили сеголетки карпа ( Cyprinus сarpio L. ), выращенные в прудах Широкольского рыбокомбината Тарумовского района Республики Дагестан, которые содержались по 20-30 штук в аквариумах объемом 250-300 литров с содержанием хлорида кадмия (1,0 мг/л; ПДК - 0,005 мг/л) и ацетата свинца (0,5 мг/л; ПДК - 0,1 мг/л) [ 2 ] . Биохимические анализы по определению СОД активности [ 4 ] в тканях сеголеток карпа проводились на 5,15,30 и 40 сутки эксперимента. Контролем во всех опытах служили рыбы, выдерживаемые в чистой воде. В аквариумах создавались условия постоянного газового и температурного (19-23°С) режима. Полученные результаты подвержены вариационно-статисти-ческой обработке [5].

Результаты исследований и их обсуждение. Результаты проведенных исследований показали, что на начальном этапе (5 сутки) экспозиции рыб в водной среде с ионами кадмия происходит повышение СОД активности во всех органах, причем наибольший рост ее активности отмечается в печени (на ~ 98%) и головном мозге (в 2,2 раза), за исключением белой и красной мускулатуры, в которых ее активность снижается в 2,7 и 5,5 раза, соответственно, по сравнению с контролем (табл. 1, рис. 1). Сходная динамика в активности СОД выявлена у рыб на начальном этапе интоксикации в водной среде с ионами свинца: активность фермента растет в печени и головном мозге (в 4,2

и 4,9 раза), тогда как в белых и красных мышцах, наоборот, падает (в 3,0 и 3,2 раза соответственно) по отношению к контролю. На данном этапе активность СОД в почках рыб под воздействием ионов кадмия и свинца повышается на 18,8% и 17,5% соответственно по сравнению с контролем (табл. 2, рис. 2).

Изучение молекулярных механизмов активности СОД показывает, что фермент в присутствии избыточных количеств перекиси водорода может образовать гидроксил-радикалы, которые ингибируют белковую молекулу фермента путем фрагментации и потери ее активности [ 1 ] . Для поддержания достаточно высокого уровня активности СОД необходимо наличие низкомолекулярных антиоксидантов, способных гасить гидроксил-радикалы. Повышение СОД активности печени, почек и головного мозга, вероятно, является результатом оксидативного стресса, вызванного ионами ТМ на начальных этапах интоксикации. А.А. Болдырев (2003) считает, что СОД находится у начальных звеньев инициации перекисных процессов, образования активных форм кислорода и является наиболее важным уровнем клеточной защиты.

Вышеизложенное позволяет заключить, что в ответ на оксидативный стресс, вызванный ионами Cd2+ и Pb2+, нервные и гуморальные механизмы регуляции мобилизуют ферментные и неферментные процессы защиты клеток и тканей печени, почек и головного мозга от разрушительных процессов на уровне биологических мембран.

Таблица 1. Динамика СОД активности во внутренних органах сеголеток карпа под воздействием хлорида кадмия

Пока-зате-ли	Ткань	Контроль	Дни экспозиции
			5	15	30	40
СОД, усл. ед/мг белка	печень	13,83±0,9	27,46±1,4 P<0,001	4,80±0,4 P<0,001	2,27±0,3 P<0,001	8,06±0,9 P<0,01
	почки	8,79±0,5	10,44±0,9 P<0,1	1,45±0,01 P<0,01	0,39±0,2 P<0,01	2,69±0,8 P<0,01
	головной мозг	20,46±1,2	45,42±1,5 P<0,001	86,43 ±0,8 P<0,001	105,46±1,4 P<0,001	152,59±4,9 P<0,001
	белая мышца	31,88±1,3	12,01±0,1 P<0,001	26,89±0,5 P<0,1	78,67±7,01 P<0,01	115,92±4,5 P<0,01
	красная мышца	60,82±3,9	11,03±0,04 P<0,001	42,29±6,3 P<0,02	87,87±6,8 P<0,01	213,96±2,8 P<0,01

Примечание: Р - степень достоверности результата по отношению к контролю

Продление пребывания карповых рыб в водной среде с ионами кадмия до 15 дней приводит к понижению активности СОД в печени, почках, белой и красной мускулатуре на 65,3; 83,5; 15,9 и 30,5% соответственно, тогда как активность фермента в головном мозге повышается в 4,2 раза по сравнению с контролем (табл. 1; рис. 1). При экспозиции рыб в водной среде с ионами свинца наблюдается резкое возрастание СОМ активности в головном мозге в 6,5 раза, в печени на 25,7% при понижении активности данного фермента в почках в 2,5 раза и в красных мышцах на 16,6% по сравнению с контролем (табл. 2, рис.2). Можно предположить, что обнаруженные нами изменения активности СОД в печени, почках и обоих типах мышц сеголеток карпа на 15 сутки экспозиции в водной среде с ионами тяжелых металлов могут быть связаны с развитием оксидативного стресса и накоплением в тканях различных активных форм кислорода, развитием процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) и истощением анти-окислительной системы [12, 13].

Таблица 2. Динамика СОД активности во внутренних органах сеголеток карпа под воздействием ацетатом свинца

Показатели	Ткань	Контроль	Дни экспозиции
			5	15	30	40
СОД, усл. ед/мг белка	печень	13,83±0,9	58,69±4,7 P<0,001	17,34±0,9 P<0,01	8,33±0,3 P<0,02	6,31±0,7 P<0,001
	почки	8,79±0,5	10,33±0,9 P>0,2	3,45±0,01 P<0,01	1,49±0,2 P<0,01	0,31±0,02 P<0,01
	головной мозг	20,46±1,2	101,99±0,5 P<0,01	133,44 ±1,2 P<0,01	50,54±8,8 P<0,001	57,01±3,8 P<0,01
	белая мышца	31,88±1,3	10,90±0,1 P<0,001	33,62±6,6 P>0,05	17,73±0,8 P<0,001	38,90±4,9 P<0,02
	красная мышца	60,82±3,9	18,79±0,1 P<0,001	50,71±3,1 P<0,05	66,16±0,8 P>0,05	50,52±2,9 P<0,05

Рис. 1. Динамика изменения активности СОДы (в % по отношению к контролю) в тканях сеголеток карпа при хроническом воздействии хлоридом кадмия

Рис.2. Динамика изменения активности СОД (в % по отношению к контролю) в тканях сеголеток карпа при хроническом воздействии ацетата свинца

На 30 сутки пребывания сеголеток карпа в водной среде с ионами кадмия происходит понижение активности СОД в печени и почках до самых низких величин (на 83,6% и 95,6%) на фоне роста активности фермента в головном мозге (в 5,2 раза), в белых мышцах (в 2,5 раза) и красных – на 44,5 % по сравнению с контролем (табл. 1, рис. 1). При экспозиции рыб в водной среде с ацетатом свинца активность СОД ингибируется во всех изученных нами тканях за исключением головного мозга, в котором ее активность возрастает в 2,4 раза по сравнению с контролем (табл. 2, рис. 2).

Результаты исследований показали, что при длительной интоксикации сеголеток карпа в водной среде с ионами кадмия в течение 30 дней происходит нарушение равновесия между образованием перекисных радикалов в биологической мембране и их утилизацией, свойственной нормальным метаболизирующим клеткам. При этом рост перекисных процессов не компенсирован активацией антиокислительной системы. Можно предположить, что обнаруженные нами различия в динамике СОД активности в белых и красных мышцах рыб в условиях хронической интоксикации ионами кадмия связаны с разной интенсивностью процессов пероксидации липидов, с одной стороны, и с их неодинаковой метаболической активностью, с другой. В связи с этим фазные изменения активности СОД в скелетной мускулатуре рыб как металлофермента могут иметь разные причины и, в первую очередь, связаны, вероятно, с оксидативным стрессом, вызванным ионами ТМ и интенсификацией процессов ПОЛ. Снижение активности СОД в печени и почках сеголеток карпа может частично компенсироваться возрастанием общей антиоксидантной активности тканей.

Известно, что головной мозг отличается самым высоким потреблением кислорода на единицу веса из всех органов и нарушение кислородного режима в метаболизме мозга может привести к ацидозу ткани, что в свою очередь инициирует более выраженное повреждающее действие малонового диальдегида и других оксидантов. В головном мозге рыб содержится небольшое количество каталазы и сравнительно мало глутатионзависи-мых ферментов, а содержание таких низкомолекулярных антиоксидантов, как витамин Е – ниже, чем в печени и мышцах. Важную роль в антиоксидантной защите головного мозга рыб принадлежит СОД, что, вероятно, и объясняет резкое повышение ее активности в головном мозге на всех сроках интоксикации рыб в водной среде с ионами ТМ (табл. 2, рис. 2).

В течение хронического эксперимента отмечалось падение веса, общей двигательной активности рыб, а при вскрытии визуально обнаружены различные морфологические нарушения во внутренних органах, в частности, печень сократилась в размерах и была покрыта некротическими пятнами. Особенно сильно патология интоксикацией ионами кадмия и свинца отражалась на почках рыб (уменьшение размеров, некроз), основная функция которых заключается в выделении продуктов жизнедеятельности рыб и ксенобиотиков в том числе. При отравлении в почках рыб происходят значимые изменения на биохимическом уровне [ 7 ] , которые, очевидно, свидетельствуют об исчерпании адаптационных возможностей и развитии патологических изменений в организме рыб при хроническом воздействии солями ТМ. Пролонгирование воздействия сеголеток карпа ионами кадмия до 40 дней приводит к понижению активности СОД в печени и почек на 41,7 и 69,4% соответственно и повышению активности данного фермента в головном мозге и обоих типах мышц по сравнению с контролем (табл. 1, рис. 1).

При экспозиции карпа в водной среде с ионами свинца активность СОД понижается в печени, почках и красной мускулатуре на 54,4%; 96,5% и 16,9% соответственно, тогда как в головном мозге, наоборот, повышается в 2,8 раза и белых мышцах – на 21,9% по сравнению с контролем (табл. 2, рис. 2).

Под влиянием ионов кадмия в скелетной мускулатуре рыб наблюдаются фазные измене-ния активности СОД: понижение активности на 5 и 15 сутки и повышение на 30 и 40 сутки, что может свидетельствовать о мобилизации низкомолекулярных антиоксидантов, понижающих количество перекисных радикалов, которые способны атаковать белковую молекулу фермента и ингибировать его активность. Можно предположить также, что наблюдаемые нами изменения активности фермента на начальных этапах интоксикации могут иметь адаптивное значение, однако, дальнейшее пролонгирование интоксикации рыб ионами кадмия сопровождается нарушением баланса между продукцией перекисных радикалов и их нейтрализацией. Таким образом, именно свинец и кадмий стимулируют процессы генерации свободных радикалов и одновременно снижают возможность их нейтрализации антиоксидантной системой. Таким образом, эти изменения в системе антиоксидантной защиты тканей на начальных этапах имеют адаптивный характер, но при продлении интоксикации рыб более 15 и 30 дней наблюдается диско-ординация процессов окисления и антиоксидантной защиты, происходит накопление в клетках активных форм кислорода, которые запускают патологические процессы в организме рыб, приводящие к деструкции мембран, некрозу ткани и их гибели.

Можно заключить, что для поддержания достаточно высокого уровня активности СОД необходимо наличие низкомолекулярных антиоксидантов, способных гасить радикал OH*. Видимо, в созданных нами экспериментальных условиях жизни сеголеток карпа возникает дефицит низкомолекулярных антиоксидантов, что вызывает понижение активности СОД в печени, почках и скелетной мускулатуре при кадмиевом и свинцовом отравлении. Полученные данные могут быть использованы для мониторинга рыбохозяйственных водоемов и оценке состояния здоровья гидробионтов, так как именно рыбы отличаются наибольшим накоплением ионов ТМ в своем организме и в качестве продуктов питания представляют потенциальную угрозу здоровью человека как заключительного звена трофических цепей.

Выводы:

• 1.    На начальном этапе интоксикации в водной среде с ионами кадмия и свинца происходи повышение активности СОД в печени и почках сеголеток карпа, тогда как на 30 и 40 сутки ее активность, наоборот, понижается по сравнению с контролем.

• 2.    В головном мозге карпа активность СОД на всех сроках экспозиции в водной среде с ионами кадмия и свинца сохраняет тенденцию к повышению по сравнению с контрольными величинами.

• 3.    При действии ионов свинца выявлены разнонаправленные сдвиги активности СОД в скелетных мышцах, тогда как под влиянием ионов кадмия выявлены фазные сдвиги: снижение активности фермента (на 5 и 15 сутки) и возрастание при более

длительной интоксикации (30 и 40 дней) по сравнению с контролем.

Статья подготовлена при поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение № 14.В37.21.0192.