Влияние загрязнения Каспийского моря на физиологическое состояние осетровых рыб

Учитывая высокую ценность осетровых и необычайность сложившейся ситуации в Каспийском море, была разработана методология мониторинга физиологического состояния этих рыб [11]. В основу стратегии проводимых мониторинговых исследований был заложен принцип изучения и оценки степени изменений и нарушений в разных функциональных системах организма и уровнях его организации. Подобран комплекс показателей, включающих в себя оценку состояния органов и тканей методами классической гистологии и функциональных изменений – методами биохимического анализа. Предложенная индикаторная система позволяла оценивать не только реакцию организма на воздействие токсикантов, но и отражала последствия и весь спектр (длительность и частоту) временного контакта с ними, т.е. кумулятивный эффект, давала возможность проследить направленность динамики процессов (положительная, отрицательная или стабильная), протекающих в популяциях рыб, прогнозировать возможные изменения роста, развития, сроков полового созревания, межнерестовых периодов, эффективность пополнения, а также уровень естественной смертности. Таким условиям, на наш взгляд, удовлетворял следующий ряд физиолого-биохимических показателей: скорость перекисного окисления липидов, активность антиоксидантов, цитохромоксидазы и лактатдегидрогеназы – в белых мышцах и печени, содержание гликогена в последней, концентрация белка, гемоглобина, холестерина, β -липопротеидов, фосфолипидов, а также естественного фактора ингибирования активности антител класса «М» в крови. Там же – содержание лейкоцитов и их видовой состав. Из гистофизио-логических показателей – морфофункциональное состояние печени, жабр, белых мышц спины и гонад.

Результаты исследования

Анализ многолетних материалов по мониторингу физиологического состояния осетровых Каспийского моря показал, что загрязнение среды обитания рыб приводит сначала к функциональным изменениям в их организме, а затем к структурным перестройкам в тканях мышц, печени, селезенки, почек, гонад. Частые, но небольшого уровня по силе, воздействия на организм приводят вначале к мобилизации регуляторно-гомеостатической функции с увеличением энергозатрат за счет резервных веществ, а именно повышенным тратам гликогена в печени и снижении его запасов примерно вдвое при увеличении в крови холестерина на 20%, являющегося предшественником кортикостероидов, и на 30-40% – липидов. Интегральным выражением функциональных изменений стало замедление темпов онтогенетического развития осетровых, проявившееся в снижении темпа формирования гемоглобиновой системы [33], и задержке развития половых желез [38, 39]. Кроме того, у части рыб зафиксировано появление амитозов и многоядерных ооцитов с цитотомией.

Наиболее существенные изменения в физиологическом состоянии рыб зафиксированы в конце 80-х начале 90-х годов, когда были обнаружены значительные изменения в физиолого-биохимических показателях, а также разнообразие и глубина нарушений в морфофункциональном состоянии тканей мышц, печени и гонад.

В печени были отмечены в различной степени белковая и жировая дистрофия, нарушения пигментного обмена, признаки воспалительного процесса, сосудистые нарушения, а в тяжелых случаях – цирротические явления, некроз гепатоцитов. Существенно изменяется и состав цитоплазматических белков ткани печени. Доля «легких» белков при появлении первых признаков структурных нарушений увеличивается на 25%, а с углублением патологии еще на 20%, что в общей сложности повышает удельный вес этих белков в цитоплазме гепатоцитов в 1,5 раза, у рыб с патологией печени – в 3 раза и выше, по сравнению с нормальной печенью. Содержание умеренно подвижных белков падает вначале на 6%, а затем еще на 16% или в общей сложности в 1,3 раза. Содержание медленных белков увеличивается от первой группы рыб к третьей лишь в 1,2 раза. Кроме печени, в этот процесс вовлекаются и другие внутренние органы [15]. В почках обнаружены белковая дистрофия и хронический межуточный нефрит, в селезенке – сосудистые нарушения. В мышцах патологические изменения у некоторых рыб достигали максимального уровня, при котором отмечается деструкция мышечных волокон и ее конечная стадия – лизис остатков миофибрилл и соединительной ткани [2]. При далеко зашедшем патологическом процессе в ультраструктуре мышц наблюдались изменения в рисунке саркомеров, снижение количества рибосом, исчезновение структуры аппарата Гольджи. У рыб с высокой патологией мышечной ткани зафиксировано обеднение белкового состава мышц [14]. У части рыб обнаружена повышенная функциональная активность интерре-наловой железы (гомолог коры надпочечников высших позвоночных), у большинства других она находилась в состоянии функционального напряжения и истощения, что является следствием интенсивного и длительного функционирования. В результате этого отмечалось ингибирование процесса синтеза кортикостероидов и снижение поступления в кровь кортизола [3-5]. В это время наблюдается также снижение секреции в кровь половых гормонов, таких, как тестостерон и эстрадиол, у самок русского осетра – примерно в 3 раза. Нарушения гормональной функции сказываются и на состоянии половых желез осетровых рыб. В это время патологии гамето- и гонадогенеза осетровых достигают своего максимума: это не только большое разнообразие патологий (изменения в оболочках, цитоплазме, ядре, морфозы, «биохимические» изменения, которые выражались в их нетипичной окраске на гистологических препаратах, опухоли и тератогенные эффекты), но и высокая частота встречаемости таких рыб [38]. У русского осетра и севрюги самки с «деформированными» оболочками ооцитов составляли более 40% от числа проанализированных. У всех исследованных видов выявлены также нарушения в виде морфозов, которые рассматриваются как «уродства» ооцитов, не свойственные виду, а в яичниках и семенниках некоторых рыб – локальные центры поперечно-полосатой мышечной ткани (тератогенные эффекты). В яичниках, семенниках и печени осетровых рыб были обнаружены новообразования (опухоли). Поми- мо явных морфологических изменений в строении ооцита были выявлены нарушения, связанные с биохимическими отклонениями в оболочке и ядре, которые выражались в их нетипичной окраске на гистологических препаратах. Этому периоду времени характерно проявление всех фаз резорбции ооцитов и появление новых, ранее не встречавшихся нарушений: изменения в структуре ядра и вокруг него у самок на стадии трофоплазма-тического роста при отсутствии явных нарушений в оболочке и цитоплазме.

Изменилась и степень «вооруженности» защитных сил организма рыб. В крови у всех трех видов – русского осетра, севрюги и белуги количество – лейкоцитов снизилось в 23 раза при существенном изменении соотношения видового состава лейкоцитов (лейкоцитарной формулы). Если ранее белая кровь носила ярко выраженный лимфоидный характер, то в результате ее трансформации стали преобладать миелоидные клетки с явным преимуществом бластических, отсутствующих ранее. Увеличение количества гранулоцитов и снижение числа лимфоцитов привело к резкому, в 8-14 раз, повышению индекса сдвига лейкоцитов [41]. Из-за дефицита лимфоцитов существенно снизилась анти-телобразовательная функция организма и его защищенность от внешних воздействий микробиологического характера и ксенобиотиков. Об этом же говорят данные по величине индекса ингибирования активности антител класса «М» в крови у русского осетра, севрюги и белуги, достигающие 2-х и более единиц, что свидетельствует о высоком уровне у них вторичного (приобретенного) иммунодефицита (Гераскин и др., 1999). Следствием этого стало повышение обсемененности мышц и внутренних органов рыб микроорганизмами, составившими в среднем в мышцах 5,6∙10-6, в печени – 4∙10-6 микробных тел на 1 г ткани при наблюдавшихся ранее 102104 степенях обсеменения [23]. В угнетенном состоянии находится и другая защитная система осетровых – антиоксидантная, признаком чего является низкий уровень общей антиоксидантной активности в мышцах и печени [8, 12].

Одной из первой реагирует на создавшуюся экологическую ситуацию в водоеме энергетическая система осетровых. Характер ее функционирования изменяется. У рыб, имеющих признаки токсикоза, уровень активности ключевых ферментов аэробного (цитох-ромоксидазы) и анаэробного (лактатдегидрогеназы) обменов в печени и белых мышцах существенно трансформируется [12, 31]. Активность цитохромоксидазы в печени снижается настолько, что становится в 2-2,5 раза меньше, чем в белых мышцах, что явно противоречит нормальному распределению функциональной активности ферментных систем, регулирующих аэробные и анаэробные процессы в энергетическом обмене печени и белых мышцах. Кроме того, у части рыб выявляется исключительно низкая активность цитохромоксидазы как в печени, так и в мышцах. Другая часть рыб характеризуется не только низким уровнем активности ци-тохромоксидазы в печени и мышцах, но и лактатдегидрогеназы – ключевого фермента анаэробного гликолиза.

Исследования водно-солевого обмена [21, 35] выявили существенные изменения и в параметрах этой физиологической системы. У осетровых, имеющих признаки токсикоза, существенно увеличивается концентрация ионов кальция в мышечной ткани при снижении количества воды и содержания ионов калия – важнейшего и доминирующего внутриклеточного элемента. В сыворотке крови у таких рыб при относительной стабильности основного осмосоздающего иона натрия Ca/ Na-коэффициент существенно увеличивается по сравнению с рыбами, выловленными в 1970-х годах. Отметим при этом, что ионный гомеостаз является одной из консервативных функциональных систем организма рыб.

В метаболических процессах, поддерживающих регуляторно-гомеостатическую функцию, четко прослеживалась тенденция изменения уровня суммарного количества сывороточных белков в сторону развития гипопротеинемии, особенно у русского осетра, и гипобеталипопротеидемии. Отмечались случаи появления рыб как с экстремально высоким уровнем общих липидов и холесте- рина, так и с аномально низкими значениями этих параметров. То есть, из физиологобиохимических показателей, характеризующих белковый, липидный и углеводный обмены исследованных ранее рыб, изменениям подверглась их большая часть [16, 32, 45]. Концентрации в крови общего белка, β-ли-попротеидов и холестерина стали составлять от 60% до 80% от имевших место ранее среднемноголетних величин у рыб в море. При этом наблюдалось увеличение в среднем на 20-40% содержания в крови общих липидов. Содержание гликогена в печени и мышцах осетровых снизилось более чем в 2 раза, а запасы его в ооцитах, мигрирующих на нерест самок, сократились на 20%.

Зафиксировано и ухудшение гематологических показателей, смещение в меньшую сторону в сравнении с прежними величинами в большей или меньшей степени концентрации гемоглобина [32, 41, 42]. Кроме того, зафиксирован гемолиз и появление патологичных форм эритроцитов.

Такую реакцию осетровых рыб на токсическое воздействие окружающей среды можно оценить как острый токсикоз в форме ге-патотоксической гипоксии, представляющей собой токсическое поражение печени с существенным снижением поступления в гепатоциты кислорода из-за ингибирования активности цитохромоксидазы [10]. Она является результатом существенного повышения в этот период содержания в воде Северного Каспия нефтепродуктов, пестицидов и фенолов [18, 34, 37]. Максимальные концентрации углеводородов в Северном Каспии достигали в конце 80-х годов 21-32 ПДК. Средняя концентрация в морских водах фенолов была также высока – 3,0-9,0 ПДК, как и суммарное содержание хлорорганических пестицидов. Загрязненность ХОП Северного Каспия в это время увеличилась в 2-2,5 раза по отношению к предыдущим годам, а максимальные концентрации в воде таких групп пестицидов, как еГХЦГ и еДДТ, достигли, соответственно, 2,7 и 3,5 мкг/л [24, 27, 34].

Наблюдаемые в 90-е годы и позже повышенные стоки рек Волги и Урала, увеличение объема моря, снижение промышленного и сельскохозяйственного производства на во- досборной площади моря, уменьшение судоходства как в море, так и в реках, не улучшили коренным образом токсикологическую ситуацию на Каспии [7]. Все это способствовало лишь некоторой стабилизации, а по отдельным видам загрязнения, например пестицидного, - его снижения. В настоящее время среди токсикантов, выявляемых в морской воде, ведущее место занимают углеводороды, содержание которых может существенно колебаться по годам и в зависимости от исследуемых участков моря [40].

Вследствие этого отмечаемый у осетровых рыб токсикоз, перешел в хроническую форму со свойственным ему неустойчивым функционированием физиологических систем. То есть наблюдаются колебаниями между относительной нормой и отклонениями, отмечаемыми при остром токсикозе, но не дости-гющие их уровней. Соответственно, этот период характеризуется некоторым снижением тяжести патологических процессов в организме осетровых. Имеет место уменьшение отклонений в водно-солевом обмене и, прежде всего, Ca/Na–коэффициента [35]. Частично восстанавливается защитная система организма, увеличивается количество лейкоцитов и снижается почти до нормы индекс их сдвига. Антиоксидантная система начинает адекватно реагировать на неблагоприятные факторы внешней среды: при увеличении в тканях печени свободных радикалов увеличивается и активность антиокислителей. Наиболее характерным для этого времени является анемия и гипопротеинемия, часто сопровождаемая диспротеинемией (изменением соотношения белкового состава крови). В большей степени это касается русского осетра и белуги. Поддержанию гипоксии в организме способствуют и различного рода нарушения в эпителии жаберного аппарата. Активности ферментов энергетического обмена в большей мере характерны пониженные и низкие уровни.

Заметно снизилась у осетровых, нагуливающихся в море, патология гамето- и ганадо-генеза и, в первую очередь, их видовое разнообразие. Основным видом нарушений процессов гаметогенеза у осетровых становятся изменения в ядре ооцитов протоплазмати- ческого роста, хотя остальные виды ещё встречаются, но в гораздо меньших количествах. Степень патологии мышц несколько снизилась, оставаясь немного выше границы «норма-патология» с соответствующим уменьшением удельного веса таких рыб. Морфофункциональное состояние печени характеризуется чередой подъемов и спадов степени поражения этого органа.

Анализ полученных материалов в межгодовом и межсезонном аспекте обнаружил зависимость физиологического состояния исследованных рыб не только от экологической обстановки, складывающейся ко времени наблюдений, но также и предшествующей ему период. Этим объясняются достаточно существенные межсезонные и межгодовые его колебания с ухудшением или улучшением физиолого-биохимических и гистологических показателей. За все годы наблюдений полного восстановления физиологического статуса осетровых до уровня 1960-1970 гг. не зафиксировано. Каких-либо четко выраженных закономерностей в изменении физиологического благополучия осетровых рыб по сезонам года, как и выловленных в различных районах моря, также не найдено. Однако данные последних исследований показывают некоторую приуроченность до известной степени устойчивого воздействия неблагоприятных факторов среды на рыб к восточной части Каспия, особенно к югу, и периодически возникающего – к северной. Многолетние материалы исследований данного комплекса физиолого-биохимических и гистологических показателей позволили выделить в уровне воздействия на рыб неблагоприятных факторов среды две составляющие – относительно постоянную и переменную. Постоянная обусловлена чаще всего общим характером загрязнения в целом Каспийского моря, т.е. совокупностью всех видов токсических веществ, создающих «токсический фон», поддерживающий явления хронического токсикоза. Переменная зависит от концентраций, токсичности и сочетания основных на данное время и района моря вида загрязнений, приводящих к тому или иному уровню и длительности ухудшения физиологического состояния рыб. Токсиканты воздействуют на рыб не только непосредственно, но и опосредованно – через кормовые объекты, кумулирующие токсические вещества из внешней среды. Как правило, физиологическое состояние рыб является результирующей сложного процесса адаптационно-компенсационных реакций на данные составляющие неблагоприятных факторов среды, функциональной кумуляции и остаточных явлений предыдущих воздействий. При этом наблюдаются видовые различия в реакции осетра, севрюги и белуги на действие неблагоприятных факторов среды. Более «бурно» реагирует севрюга, слабее – осетр и белуга. Выраженность повреждающего действия неблагоприятных факторов среды носит вероятностный характер и прослеживается в большей мере на уровне популяций. Чем выше уровень воздействия, тем у большей части популяции регистрируется эффект. Исходя из степени регистрируемых отклонений можно выделить минимум три группы рыб: относительно благополучные, находящиеся в пограничном (предпатологическом) состоянии и особи со значительными отклонениями и нарушениями. Соотношение этих групп в общей массе исследуемых рыб может колебаться в зависимости от складывающихся в этот период условий как в пределах одного года, т.е. в различные сезоны, так и при сравнении в целом по годам. Наихудшим вариантом существенного изменения физиологического состояния осетровых рыб становится их гибель. Она наблюдалась в период миграции русского осетра и севрюги на нерест в Волгу в годы с наибольшей трансформацией физиолого-биохимического статуса этих рыб – летом 1987 и 1988 гг.

Не менее существенными являются последствия ухудшения физиологического состояния осетровых, выражающиеся в снижении темпа роста, в первую очередь из-за использования части белковых веществ на энергетические нужды и существенном снижении воспроизводительного потенциала, связанного с удлинением времени вступления в репродукционную стадию и межнерестовых периодов, а также патологических изменений, сопровождающих гонадо- и гаметогенез осетровых. Это предположение напрямую подтверждается данными ихтиологических исследований [20], констатирующих снижение темпа роста и индивидуальной плодовитости. Уменьшение массы тела у русского осетра одновозрастных категорий, в сравнении с периодом 1981-1989 гг., достигало 5,5 кг при минимуме в 2,6 кг. Снизилась и индивидуальная плодовитость самок русского осетра [19]. Особую тревогу вызывает уменьшение плодовитости, связанное с нарушениями в половых железах, и в первую очередь, замена генеративной ткани на жировую или соединительную. Такой же процесс выявлен и у самцов. Снижению плодовитости способствуют и другие формы патологий ооцитов. В фазе протоплазматического роста – чаще всего изменения в ядре, цитоплазме, появление многоядерных ооцитов и амитозов; в фазе трофоплазматического роста – ядре, оболочках, желтке, появление уродств и тотальной резорбции ооцитов и т.д. [38]. Изменения в половых клетках, возникающие на фоне функциональных нарушений, могут и не проявляться на морфологическом уровне – это нарушения вителлогенеза, выражающиеся изменением состава и соотношения белковых и липидных компонентов, накапливаемых в ооцитах и нарушения транспорта кровью вителлогенина, входящего в состав в-липопротеидов. Они заключаются в снижении доли высокомолекулярных («тяжелых») белков в 1,5-2 раза и появлении несвойственных ооцитам осетровых 1-3 низкомолекулярных («легких») белковых компонентов, увеличении числа среднемолекулярных белков, в липидном составе ооцитов – изменением соотношения фосфолипидов и триглицеридов, в крови – в снижениии доли вителлогенина в общем количестве белка или в его низкой концентрации. Уменьшение воспроизводительной эффективности в этом случае проявляется в неоплодотворении икры, гибели ее в процессе эмбриогенеза, а также повышенной элиминации на ранних этапах развития и снижения резистентности молоди к экстремальным факторам внешней среды, подтверждением чему могут служить данные по уровню аномального развития личинок и молоди. Если до 1984 г. доля молоди с аномальными отклонениями состав- ляла 0,03-0,176% (в среднем 0,14%), то в период 1986-1995 гг. существенного ухудшения физиологического состояния осетровых их количество увеличилось до 0,63-2,03% (в среднем – 0,54%) [22]. У ранневозрастных личинок она достигла 11-22% в 1989 г. и 8-12% в 1992 г. [26]. Наибольший уровень атипично-сти развития и разнообразия патологических отклонений у личинок осетровых наблюдался также в 1989 г. При этом заметим, что ранее аномалии у личинок на ранних стадиях развития встречались в редких случаях.

В 1988-1989 гг. зафиксировано также множество нарушений морфогенеза личинок осетра и севрюги на рыбоводных заводах, снижение жизнеспособности и массовой гибели молоди осетровых при их искусственном воспроизводстве [44]. Доля личинок с морфологическими дефектами достигала 80100% при помещении их на выращивание в пруды. Возможно, также и образование скрытых дефектов, понижающих жизнестойкость молоди рыб и выживание их до половозрелого возраста.

Таким образом, появление нового фактора в среде обитания осетровых рыб – загрязнения Каспия токсическими веществами – существенно сказывается на их благополучии. Это ведет к снижению темпа развития и роста рыб, увеличению смертности как на ранних этапах онтогенеза, так и в более позднем периоде жизни, за счет снижения жизнестойкости при ухудшении их физиологического состояния. Наиболее опасным для популяций всех видов осетровых является снижение репродуктивного потенциала вследствие увеличения сроков вступления в репродуктивную стадию, удлинение межнерестовых периодов и снижение количества репродуктивно значимых яйцеклеток из-за морфологических и биохимических нарушений. Особенно опасна тенденция к сокращению объема генеративной ткани половых желез самок и самцов и замена ее на жировую и соединительнотканную, что ведет к стерилизации особей. Все эти изменения на данном этапе пока лишь ограничивают биопродуктивность этого семейства. Однако дальнейшее развитие этого процесса может привести к критическому состоянию, в понимании

С.А. Шиловой и М.И. Шатуновского [46], обитающих в Каспийском море популяций всех видов осетровых при превышении по- рога устойчивости рыб к повреждающим факторам внешней среды.