Популярное

Мифы о звукоизоляции



Как построить дом из пеноблоков



Как построить лестницы на садовом участке



Подбираем краску для ремонта



Каркасные дома из дерева


Главная » Биомониторинг водной среды

1 2 3

Биомониторинг водной среды с помощью органа обоняния рыб

Бянкин А. Г. (agb-ecol@inbox.ru )

Хабаровский государственный технический университет

В современную эпоху резкого развития индустриального и сельскохозяйственного производства прогрессирует загрязнение водоемов различными химическими соединениями, ежегодно увеличивается спектр попадающих в водоемы ксенобиотиков (Исидов, 1999). Многие из них приводят к нарушению функции сенсорных систем и высшей нервной деятельности, на основе которых формируется важнейшие поведенческие реакции рыб. Последнее время уделяется много внимания изучению действия детергентов бытовых стоков и тяжелых металлов на морфологию хемочувствительных органов рыб (Пащенко, Касумян, 1984; Пяткина, Дмитриева, 1990; Рябова и др. 1991; Касумян и др. 1991; Julliard at el., 1995, 1996; Olvera Ribeiro at el., 1995; Касумян, 2001).

Обонятельный эпителий рыб имеет прямую связь с внешней средой, а ее загрязнения отражаются на изменении морфологии эпителия. Установлено, что многие из загрязняющих веществ приводят к быстрой деструкции периферических хемосенсорных образований, особенно после воздействия тяжелых металлов, и как следствие, к нарушению биоценотических и иных поведенческих реакций рыб (Hara et al., 1983; Baartrup et al., 1990; Saucier et al., 1991a, 1991b; Klaprat et al., 1992; Касумян, Морси, 1998). Многочисленные исследования действия токсикантов на хеморецепторы рыб в нашей стране касаются в основном ихтиофауны западной части России (Рябова и др., 1991; Касумян и др., 1991), а за рубежом аквариумных рыб (Woo, 1993; Michel, Lubomudov, 1995; Циппель и др., 1995), и лишь единичные работы посвящены рыбам Дальнего Востока (Бирюкова и др., 1998; Дорошенко, 2002).



Особенности поведения рыб, обитающих в загрязняемых водоемах, состояние сенсорных систем, их способность воспринимать и реагировать на различные воздействия недостаточно исследованы, несмотря на очевидную научную и практическую важность получаемых при этом результатов. Такие исследования позволяют более глубоко и детально понять биологические процессы в водных экосистемах, подвергаемых загрязнению, служат основой для составления более точных прогнозных оценок последствий загрязнения водоемов. На основании результатов исследований могут быть сформулированы или разработаны новые подходы, критерии и методы диагностики негативного влияния токсикантов и проведения мониторинга природных водоемов (Касумян, 2001).

Целью настоящей работы состоит в обосновании использования органа обоняния рыб в биомониторинге водной среды, на примере экспериментальных исследований воздействия солей тяжелых металлов (медь, цинк, кадмий) и бытовых детергентов (Ariel и Кристалл-2) на орган обоняния половозрелых особей и сеголеток красноперки крупночешуйчатой Tribolodon hakonensis.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА Эксперименты проводились на половозрелых особях красноперки крупночешуйной Tribolodon hakonensis (3-4 года) длиной 20-40 см и массой 180-420 г и на сеголетках длиной 3-6 см и массой 0,3-1 г. Рыб отлавливали в лимане реки Тумнин (бассейн Японского моря, северное Приморье). Больных и раненных во время лова рыб выбраковывали. Пойманную красноперку держали в садке у берега для контроля и пополнения опытных экземпляров. Перед экспериментом рыб помещали в ванны на сутки с водой из лимана реки Тумнин емкостью 60 - 100 л для адаптации к новым условиям.

Для оценки воздействия тяжелых металлов подопытных рыб выдерживали в растворах солей тяжелых металлов - сульфата меди (Реахим



х.ч.), сульфата кадмия (Реахим х.ч.), сульфата цинка (Реахим х.ч.). Предварительно готовили маточные растворы солей и хранили их при 4-5Со не более 10 суток. Для оценки воздействия бытовых детергентов использовали растворы стиральных порошков Ariel (ГОСТ 25644-88) и Кристаллл-2 (ТУ 6-39-42-91). Для приготовления маточных растворов детергенты растворяли в теплой воде (40-60 Со) в небольшой емкости (1 л) непосредственно перед опытом. Маточные растворы вносили в ванны в центральной части при постоянном, слабом помешивании, как показали предварительные эксперименты с красителями, это дает быстрое и равномерное распределение вносимого раствора по всей ванне. Аэрация воды производилась механическим способом, путем перемешивания 0,5 л воды и воздуха в закрытой емкости и последующего смешивания в ванне. Температура воды была около 18Со и соответствовала температуре воды в реке в период исследований.

Токсикологические эксперименты проводились по стандартной схеме проведения таких работ (Лукьяненко, 1983). Выбранные концентрации тяжелых металлов соответствуют ранее проведенным острым экспериментам для карповых рыб (Метелев и др., 1971; Pickering, Henderson 1966; Pickering, Gast, 1972; Кадмий: экологические аспекты 1994).

В экспериментах использовали концентрации солей металлов 40, 20, 10 мг/л, а для меди дополнительно 1 мг/л. Для детергентов употребляли растворы с концентрацией 40 и 100 мг/л. В экспериментах с сеголетками использовали концентрации: 10 мг/л для тяжелых металлов и 40 мг/л для детергентов. На каждую точку токсиканта брали по 12 - 15 особей, на гистологические исследования 3-5 экз. Всего исследовано 378 особей красноперки, из них гистологическому обследованию подверглось 92.

Для получения гистологических препаратов обонятельные розетки фиксировали в 10% нейтральном формалине и затем заливали в парафин, делали срезы толщиной 5-7 мкм, окрашивали гематоксилином, эозином или толуидиновым синим по стандартной методике (Меркулов, 1969). Плотность



клеток измерялась с помощью окуляр микрометра на 50 мкм препарата. Профильное поле клеток измерялось как произведение длины клетки на диаметр в ядросодержащей части. Готовые препараты изучали и фотографировали в световом микроскопе Olympus model BHT с использованием Olympus Potomicrographic System Model PM-10AD.

Статистическая обработка полученных в результате исследований данных, проведена на компьютере с помощью программы Microsoft Excel.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Одним из массовых видов рыб Приморья является крупночешуйная красноперка. Особенность биологии дальневосточных красноперок- это способность жить в пресной морской воде (Вдовин, Гавренков, 1995; Гавренков, 1998), поэтому это перспективные объекты для мониторинга водной среды с различной соленостью. Красноперок легко добывать круглый год в реках и в предустьевых местах. Годовой жизненный цикл красноперок состоит из пресноводного - нерест (апрель - июнь) и зимовка (ноябрь - март), а также из морского - нагул в прибрежных морских водах. Сеголетки и годовики постоянно встречаются в реках и прибрежье. Эти рыбы легко содержатся в лабораторных аквариумах от месяца до года, это связано с непритязательностью к качеству воды, с эвритермностью (3-25Со) и эврифагией этого вида. Рыбы хорошо переносят транспортировку в небольших емкостях и даже без воды до 1-1,5 часов. Крупношечешуйная красноперка становится половозрелой в 2-3 года, живет около 7-8 лет и достигает длины 50 см и массы 1,5 кг. Обитает во всех реках Приморья от Кореи до Амура (Новиков и др. 2002). В последнее время успешно разрабатывается технология по искусственному воспроизводству красноперок (Гавренков, 1996).

Строение органа обоняния красноперки крупночешуйной аналогично другим костистым рыбам, описанным ранее (Бронштейн, 1977). Обонятельные капсулы красноперки находятся на дорсальной стороне



головы, наружу открывающимися двумя отверстиями - входным и выходным. Выходное отверстие больше в сечении, чем входное, это обеспечивает постоянный ток воды через обонятельную капсулу. На дне обонятельной капсулы находится обонятельная розетка, состоящая из соединительнотканных складок, отходящих билатерально от центральной септы. Они покрыты сенсорным (рецепторным) эпителием на боковых поверхностях и индифферентным на вершинах складок. Число складок у красноперки в процессе онтогенеза увеличивается: у сеголеток 10, годовиков 12-16, а у половозрелых особей 20-25. Также увеличивается и размеры складок, их длина у сеголеток составляет 329,09 мкм; у годовиков -519,6 мкм; у половозрелых особей-1054,3 мкм, соответственно возрастает и ширина складок- 100,01; 142,5; 185,04 мкм.

Сенсорный эпителий на поверхности складок у красноперки располагается волнообразно, что увеличивает его площадь. Данные изгибы эпителия нельзя отнести к истинно вторичным складкам, описанных у лососевых (Дорошенко, 1984), так как их вершины не покрыты индифферентным эпителием. Рост сенсорного эпителия в онтогенезе происходит равномерно, у сеголеток его средняя толщина составляет 34,4 мкм, у годовиков 45,82 мкм, у половозрелых особей красноперки (3-4 года) 54,36 мкм. Сенсорный эпителий состоит из опорных, рецепторных, базальных, секреторных 1 и 2 типов клеток, в индифферентном эпителии отсутствуют рецепторные клетки и преобладают бокаловидные секреторные клетки 1 типа. В сенсорном эпителии красноперки наблюдается большое число секреторных клеток 2 типа. Плотность различных клеток в эпителии у красноперки в процессе онтогенеза изменяется (табл. 1). Происходит увеличение числа рецепторных клеток в сенсорном эпителии, а также профильного поля рецепторных и секреторных клеток.

В целом нормальная структура сенсорного эпителия красноперки представляет стройный ряд клеток, он плотно прилегает к подстилающему соединительнотканному слою. Между клетками отсутствуют полости и



межклеточное вещество, которое есть в подстилающей соединительной ткани. На поверхности эпителия четко виды жгутики клеток, это цилиарный аппарат состоящий из булавы из которой и выходят жгутики (Бронштейн, 1977; Пащенко, Касумян, 1984). Норма строения органа обоняния красноперки в дальнейшем послужит для сравнения с патологическими изменениями, происходящими под влиянием ксенобиотиков.

Поведенческие ответы на действие токсикантов

Действие тяжелых металлов на красноперку, в острых экспериментах, происходит не однозначно и зависит от токсичности ионов металла, однако, есть и общие признаки. В первые минуты рыба ведет себя спокойно без резких движений, по истечения 0,5-1 часа наблюдается кашель, подергивание жабрами, ослизнение покровов. Далее дыхательные движения резко увеличиваются до 80-100 в минуту, когда в контроле не превышают 40-50. Через 5-7 часов наблюдается нарушение равновесия, рыбы плавают боком, круговыми, толчкообразными движениями. Фаза возбуждения переходит в фазу угнетения: замедления дыхательного ритма (1-2 в мин.), нарушения равновесия и координации движения, понижения ответных реакций на раздражение. На всем протяжении воздействия наблюдается обильное секреторное выделение кожных покровов, жабр и обонятельного эпителия, потемнение покровов тела, осветление плавников, особенно их дистальной части. Жабры в процессе воздействия солей тяжелых металлов начинают менять свою окраску с алых на бледно розовую. На дистальных частях жаберных лепестков происходит некроз респираторного эпителия. Рыба умирает от удушья с широко открытым ртом, раздвинутыми жабрами, переворачивается вверх вентральной стороной тела или ложится на бок, с не большим изгибом тела, мертвая рыба не всплывает.

Поведение рыб при действии детергентов отличается коротким периодом беспокойства и длительной агонией. Выделение слизи из кожи и



жабр значительно больше, чем при воздействии солей тяжелых металлов. Красноперка при отравлении захватывает воздух ртом. В период потери равновесия вращается вокруг продольной оси, плавает вверх брюхом, погибает с широко открытым ртом и раздвинутыми жаберными крышками.

Длительность описанных периодов характерна для 15-20 часов воздействия токсикантов из исследованных это 20 мг/л Cd и Zn, 1 мг/л Cu, 40 мг/л Кристалла-2 и Ariel (табл. 2). Короткое воздействие токсикантов, при больших концентрациях, также включает все описанные периоды, но их продолжительность соответственно сокращается.

Из исследованных веществ соли меди оказывают более токсическое влияние на рыб, смерть красноперки наступает быстрее в растворе меди, чем в растворах других солей (табл. 2). Менее, токсическое действие оказывают соли кадмия и цинка. Продолжительность жизни в растворах детергентов больше, чем в растворах тяжелых металлов. Стиральный порошок Кристалл-2 токсичнее, чем Ariel. Следует отметить, что сеголетки красноперки выдерживают более длительное время в растворах токсикантов (табл. 1).

Действие токсикантов на обонятельный эпителий

Гистофизиологическое исследование препаратов органа обоняния красноперки показало, что действие солей исследованных металлов и детергентов на сенсорный эпителий красноперки имеет ряд сходных признаков, но при разных концентрациях степень воздействия отличается.

Сульфат меди. Действие меди очень токсично и сохранение структуры сенсорного эпителия, его слоистости, наблюдалось при концентрациях 1 и 10 мг/л. Толщина сенсорного эпителия и соединительнотканной прослойки уменьшается по сравнению с контролем (табл. 3). При концентрации 1 мг/л происходит обильное выделение слизи, которая заполняет всю обонятельную капсулу, цилиарный аппарат клеток в хорошем состоянии, булавы и жгутики сохраняют свою структуру. Но



рецепторные клетки становятся более тонкими и приобретают нитевидную форму. При концентрации 10 мг/л в эпителии появляются разрывы, целых рецепторных клеток становится меньше, а их размеры уменьшаются (табл.4), слоистость эпителия сохраняется. Жгутики и ворсинки на поверхности слипаются или полностью исчезают.

При более высоких концентрациях 20 и 40 мг/л сенсорный эпителий полностью теряет свою структуру, его толщина значительно увеличивается (табл. 2) Происходит разрушение клеток (табл.4), появляются многочисленные разрывы эпителия и его отек, а также выход форменных элементов крови из капилляров.

Крайние деструктивные изменения происходят при концентрации 40 мг/л. Весь эпителий становится рыхлой массой однородных, неправильной формы клеток со светлой цитоплазмой, темным ядром и разрушенной цитоплазматической мембраной. Ткань отделяется в виде лоскутов в полость обонятельного мешка. Наблюдается выход эритроцитов и фагоцитирующих элементов крови. Отмечается ярко выраженный отек соединительной ткани (табл. 3), в виде увеличения межклеточного пространства, появления множественных обрывков волокон и увеличения размеров клеток.

Сульфат кадмия. Соли кадмия оказывают менее пагубное воздействие на сенсорный эпителий красноперки, чем соли меди. При воздействии концентраций 10 и 20 мг/л эпителий сохраняет свою структуру; его толщина, плотность клеток и их профильное поле уменьшаются по сравнению с контролем (табл. 3, 4). При концентрации 10 мг/л наблюдается обильное выделение слизи на поверхности эпителия, сохраняются жгутики и ворсинки. Обонятельная слизь находится не на поверхности эпителия, а располагается над ним на значительном расстоянии, и не обволакивает цилиарный аппарат рецепторных и мерцательных клеток. При концентрации 20 мг/л происходит слипание жгутиков или их потеря на отдельных участках, в сенсорном эпителий появляются разрывы.



Наибольшие дегенеративные процессы происходят при концентрации 40 мг/л. Толщина эпителия значительно увеличивается (табл. 3), происходит полная его деструкция. Наблюдается разрушение цитоплазматической мембраны всех клеток, остаются целыми ядра клеток, беспорядочно расположенных в толще эпителия. Эпителий на некоторых участках полностью отторгается от соединительнотканной основы. В соединительной ткани обонятельных пластин наблюдается отек, разбухание коллагеновых волокон, увеличение межклеточного пространства. Капилляры внутри первичных складок разрываются, происходит выход кровяных элементов наружу.

Сульфат цинка. Все исследованные концентрации сульфата цинка 10, 20 и 40 мг/л не приводят к полной деструкции сенсорного эпителия, как при воздействии Cu и Cd. Только при концентрации 20 мг/л начинается обильное выделение слизи и потеря жгутиков и ворсинок, клетки не разрушаются. При концентрации 40 мг/л отмечаются полная потеря цилиарного аппарата, разрывы сенсорного эпителия, частичное разрушение рецепторных клеткок (табл. 3). Отмечается увеличение толщины сенсорного эпителия и соединительнотканной прослойки по сравнению с контролем (табл. 2).

При действии всех концентраций цинка и малых концентраций меди (1, 10 мг/л) и кадмия (10 мг/л) выявлена реакция вытягивания рецепторных клеток, они приобретают нитевидную форму, ядерная часть у таких клеток почти не выражена, слой цитоплазмы очень тонкий с повышенным сродством к основным красителям. Реакция рецепторных клеток связана с их сократительной способностью.

Детергенты. Действие бытовых детергентов на сенсорный эпителий отличается от солей тяжелых металлов большим выделением слизи на поверхность эпителия. Однако, процесс воздействия происходит в направлении постепенной деструкции эпителия.



Кристалл-2. Уже на первых стадиях воздействия наблюдается полная потеря жгутиков. При действии Кристалла-2 сенсорный эпителий отекает, его толщина увеличивается по сравнению с контролем (табл. 3). Рецепторные клетки разрушаются, это происходит при всех исследованных концентрациях. Структура сенсорного эпителия превращаются в рыхлую не оформленную массу разрушенных клеток с выраженными темными ядрами, такая картина аналогична для высоких концентраций тяжелых металлов. В эпителии наблюдаются продольные и поперечные разрывы, отслоение от соединительнотканной основы. Строение эпителия после воздействия 100мг/л Кристалла-2, можно охарактеризовать как некробиоз.

Ariel. При воздействии 40 мг/л Ariel сохраняется слоистость сенсорного эпителия. Однако плотность целых рецепторных клеток снижается до 2 на 50 мкм и опорных до 6,8 по сравнению с контролем 4,78 и 7,48 соответственно.

При воздействии 100 мг/л Ariel рецепторные клетки полностью разрушаются. Сенсорный эпителий после воздействия приобретает губчатую структуру, цитоплазматическая мембрана клеток разрушается и на препарате видны темные ядра клеток. Эпителий отслаивается, обрывки эпителия отстают в виде лоскутов ткани.

Аналогичная картина обнаруживается у сеголеток при действии всех исследованных концентраций, а сенсорный эпителий у них сильней подвержен отеку, чем у половозрелых рыб. При воздействии высоких концентраций на последних стадиях воздействия наблюдается некробиоз сенсорного эпителия.

Столь сильное поражение сенсорного эпителия бытовыми детергентами, по-видимому, лишает рыбу полностью обонятельной рецепции, что согласуется с ранее полученными данными (Пащенко,

Касумян, 1984).





1 2 3
© 2017 РубинГудс.
Копирование запрещено.