Июл 03 2001

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МОРСКОЙ СРЕДЫ

Опубликовано в 13:05 в категории Экология Черного моря

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА МОРСКОЙ СРЕДЫ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОМАРКЕРОВ У МИДИЙ

Э.Ф. Костылев, Л.Л. Красота, Ю.Н. Макаров

Украинский научный центр экологии моря Минэкоресурсов Украины

Одесский филиал Института биологии южных морей НАН Украины

ESTIMATION OF MARINE ENVIRONMENTAL QUALITY

BY USING MUSSELS BIOMARKERS

E.F. Kostylev, L.L. Krasota, Yu.N. Makarov

Ukrainian Scientific Centre of the Ecology of Sea,

Institute of Biology of Southern Seas, Odessa branch

Estimation of marine environmental quality by using mussel biomarkers was carried out within the framework of implementation a Pilot "Mussel Watch" programme to assess the health status of mussel populations and ecosystems in the Black Sea north-western region.

A simple non-injurious test using blood cells as a biological marker (lysosomal integrity/neutral red retention) of pollutant effect was deployed.

The results of our investigation have good correlation with the levels of contaminants in water and mussels of these areas. It gives permission to estimate conditional values of the health status of mussel populations and ecosystems in various areas.

В природоохранной практике отличают две группы гидробионтов-индикаторов: тест-организмы (биотесты) и организмы-мониторы. Тест-организмы – это высокочувствительные организмы, которые широко распространены в специфических (характерных) зонах морей и океанов. Их исследования осуществляются в природных или лабораторных условиях, а также в экспериментах на культурах этих гидробионтов, где основной критерий их реакции – смертность.

Как организмы-мониторы очень удобны гидробионты, не имеющие возможности оставить место своего обитания, так называемые "сидячие" формы гидробионтов. Это могут быть прикрепленные водоросли, двустворчатые моллюски и другие организмы, которые "отражают" качество окружающей их среды.

Донные организмы являются наиболее доступными для использования с целью индикации качества морской среды в системе биомониторинга Черного моря. Большая часть донных гидробионтов ведет прикрепленный характер жизни, или они малоподвижны. По сравнению с планктоном водоросли-макрофиты и макрозообентос значительной длительностью жизни и небольшой сменой генераций. Их отклик на воздействие загрязняющих веществ – это, прежде всего результат накопления этих веществ в биологических тканях.

Донные гидробионты используются как организмы-индикаторы прежде всего на биоценотическом уровне (состав, численность, биомасса и др). Поэтому, для правильного понимания процессов, осуществляющихся в морской среде, при проведении биологического анализа состояния водной среды используют не только понятие "виды-индикаторы", а также и понятие "индикаторное сообщество". Однако это очень тяжелый путь, так как требует участия в этом процессе целого комплекса разных специалистов. Как правило, биологический анализ качества воды проводят более простым методом – по соотношению численности видов и численности разных групп (подклассов, отрядов, семейств) планктона и бентоса.

Наиболее удобными организмами-мониторами качества морской среды являются двустворчатые моллюски, которые для потребности дыхания и питания пропускают через себя значительное количество морской воды, получая из себя все необходимое для жизни. Такими моллюсками могут быть мидии, наиболее распространенные в северо-западной части Черного моря. В процессе фильтрации эти животные аккумулируют загрязняющие вещества, попадающие в их организм с пищей и водой. При этом концентрация ксенобиотиков в тканях моллюсков может достигать высокого уровня и, таким образом, делать их полезным инструментом для химического мониторинга [1].

Мидии сравнительно толерантны к воздействию многих металлов и органических ксенобиотиков и способны в стрессовых ситуациях изолироваться от окружающей среды на несколько суток (при этом они переходят на анаэробный обмен веществ). Однако исследователи находят свидетельства их реакции даже на очень небольшие концентрации загрязняющих веществ. Такие патологические реакции описаны на всех уровнях биологической организации – от молекулярного до физиологического уровня всего животного [2,3,4].

Исходя из того, что мидии (сем. Мótilidae) распространены во всех соленых и солоноватых водах Мирового океана, ведут оседлый образ жизни и неспособны к миграциям (т.е. вынуждены приспосабливаться к воде любого качества) было предложено создать систему систему "Мидиевого мониторинга" качества морской среды ("Mussel Watch") [5]. С 1976 года в США проводят химический мониторинг с помощью мидий. Сбор мидий осуществляют в 107 пунктах восточного и западного побережий США. В тканях моллюсков измеряют концентрации тяжелых металлов, нефтяных углеводов и радиоактивных элементов.

В настоящее время, наряду с химическим мониторингом морской среды, предложено внедрение биологического мониторинга с использованием мидий.

Как известно, отклик морских организмов на влияние токсических веществ в связи с их дозой и свойством могут быть такими:

- гибель организмов, вызванная острой токсичностью;

- смертность, вызванная хроническим и продолжительным воздействием загрязнителей;

- негативные морфологические, физиологические, поведенческие эффекты и явные биохимические изменения, вызванные влиянием сублетальных доз загрязняющих веществ.

Особенность морской среды такова, что наиболее опасным может быть длительное влияние загрязнения в малых дозах, что приводит к постепенному накоплению в среде загрязняющих веществ и, наконец, к деградации экосистемы.

Период времени, по окончанию которого в морских экосистемах могут быть обнаружены негативные последствия загрязнения, зависит от уровня биологической организации. Время, необходимое для проявления биологических реакций на антропогенное изменение морской среды, удлиняется с каждым уровнем увеличения сложности регистрирующего показателя (от минут и часов на клеточно-биологическом уровне, до месяцев и лет – на популяционном).

Существует большой выбор переменных величин, используемых в биохимии и в молекулярной биологии, которые могут быть включены в программу мониторинга (цитохром Р-450, металлотионеины и др.). Например, у гидробионтов из загрязненных экосистем металлотионеины, подавляя ацетилхолинестеразу, могут дать относительно специфическую информацию о воздействии, которое вызывает влияние основных видов химических загрязняющих веществ.

На уровне органоидов таким критерием является показатель стабильности лизосом. На клеточном уровне лизосомная система представляет собой особую "мишень" (с точки зрения токсических эффектов) для многих загрязняющих веществ, которые могут легко аккумулироваться лизосомами. Изменения лизосомных систем прямо указывают на патологию. Использование этого показателя особенно полезно при определении вредных влияний окружающей среды так как много тканей моллюсков и печень рыб богаты на лизосомы [6,7, 8].

Для измерения влияния факторов среды на организм в целом (физиологический уровень) можно использовать метод измерения скорости метаболизма, прироста и оценки репродуктивной возможности. Он основан на анализе главных компонентов энергетического баланса животных, т.е. на измерении поглощения энергии (прием пищи, усвоение) и затрат (дыхание, экскреция), суммация которых дает "моментальный снимок" потенциала развития организма. Этот подход очень удобен в отношении прикрепленных морских беспозвоночных (например, двустворчатых моллюсков).

Для оценки состояния организма и выявления воздействия загрязняющих веществ разработано много клеточных, тканевых и молекулярных биомаркеров как индикаторов для предварительной диагностики [9,10,11,3].

Термин "биомаркер" относится к биологической реакции, проявляющейся на молекулярном или клеточном уровне. Такая реакция поддается точному измерению и обеспечивает получение достоверной информации о степени экспозиции химического вещества и его влияния на организм.

На биомаркеры влияет биологическая доступность загрязняющих веществ, характер, уровень и время экспозиции. Первая реакция организма проявляется на молекулярном и клеточном уровнях органов-"мишеней" и тканей, т.е. раньше, чем влияние загрязняющих веществ становится очевидным на более высоких уровнях биологической организации (особь, популяция или сообщество).

Биомаркеры могут продемонстрировать, что химические вещества окружающей среды входят в организм, достигают мест токсического воздействия и вредно влияют на организм. То есть, организмы действуют как накопители влияния, отчитываясь о воздействии абиотических и физиологических факторов среды, которые могут моделировать дозу принятых химических веществ.

Необходимо помнить, что реакция биомаркеров не может прогнозировать изменений, которые могли бы быть в будущем. Можно только предвидеть ухудшение состояния здоровья животных, используемых как "дежурные". Таким образом, можно сказать, что система стала более хрупкой и возросла опасность негативного влияния загрязнения на сообщество.

Лизосомная система организмов наиболее чувствительно откликается на влияние загрязняющих веществ, так как она представляет собой "мишень", в которую целятся многие токсиканты.

Лизосомы во многих отношениях являются идеальной клеточной органеллой для изучения интегрального отклика на влияние вредных факторов окружающей среды. Лизосом-фагосомный комплекс образует вакуолярную внутриклеточную пищеварительную систему, способную катаболизировать как эндогенные клеточные компоненты, как и экзогенные вещества. В стрессовых условиях лизосомы способны перейти к гетерофагии, включающей эндоцитоз (пиноцитоз и фагоцитоз) главным образом питательных веществ из позаклеточной среды и их последующий транспорт в лизосом-вакуолярную систему.

Обнаружено, что много токсикантов могут аккумулироваться в органеллах. Лизосомы некоторых позвоночных, моллюсков и рыб способны накапливать ароматические углеводы, асбест, кремнезем, производные аминоазобензола, берилит, а также ионы меди, железа, свинца, цинка, никиля, серебра, ртути и плутония [12]. После того, как накопление этих веществ в лизосомах превышало некоторый уровень, мембраны лизосом разрушались и, как следствие, ферменты выходили в цитоплазму.

Изменения лизосомных систем прямо указывают на патологию, что очень удобно при изучении вредного влияния окружающей среды на организмы гидробионтов. Так, например, за показателем стабильности лизосомальных мембран у мидий представляется возможным судить об их состоянии здоровья, а отсюда и о качестве морской среды.

Этот метод с успехом используется в международной научной практике морских исследований. Кроме этого, он был предложен для практического внедрения в рамках международной программы по Черному морю (Workshop on biological effects of pollutants in in the Black sea. Plymouth,1995; Odessa,1996; Istambul1997).

Метод оценки стабильности лизосомальных мембран основывается на определении времени удержания лизосомами модельного токсиканта (нейтрального красного). Здоровые мидии удерживают его дольше, чем ослабленные (больные), у которых разрушение лизосомальных мембран наступает в очень короткое время после проникновения токсиканта в эти органеллы.

Для оценки здоровья мидий и выявления влияния на них загрязняющих веществ в наших опытах был использован "биомаркер" – показатель лизосомальной стабильности клеток крови этих двустворчатых.

Оценка стабильности лизосомальных мембран клеток крови мидий (по времени удержания нейтрального красного в минутах) была проведена для моллюсков, которые были отобраны с разных мест побережья Одесского региона северо-западной части Черного моря:

1) район курорта Коблево (это наиболее чистая рекреацийная зона нашего побережья;

2) район около УкрНЦЭМ (сравнительно чистый урбанизованый район);

3) загрязненная зона у акватории Одесса-порт;

4) Сухой лиман;

5) Григорьевский лиман;

6) район сброса сточных вод с курорта "Аркадия".

В результате проведенных исследований было установлено, что нейтральный красный наиболее долго удерживался в лизосомах мидий, отобранных в районе курорта Коблево (по средним величинам времени удержания красителя). Это отмечено также как во время разрушения 50% мембран лизосом в клетках моллюсков, так и при больших процентах (75 %, 100 %) деструкции оболочек исследуемых органелл гемолимфы животных (таблица 1).

Наиболее ослабленными (по показателю стабильности лизосомальных мембран клеток крови) оказались мидии, обитающие на акватории Одесского порта. Деструкция 50 % мембран лизосом у них наступала через 17,5 минут, что почти в 9 раз быстрее, чем у мидий из района Коблево. Значительно раньше это совершилось при 75 % и 100 % показателях выхода нейтрального красного к цитоплазме клеток гемолимфы мидий, взятых в акватории Одесского порта (в сравнении с особями с наиболее чистой точки отбора исследуемых моллюсков).

К ослабленным, но менее чем в порту, следует отнести и моллюсков, отобранных в районе сброса стоков санатория "Аркадия" и в Сухом лимане. Здесь отмечено разрушение 50 % лизосомальных мембран клеток крови мидий за 15,0 – 33,3 минуты, 75% – за 48,0 – 53,0 минуты и 100% – за 96,7 – 102,0 минуты.

Моллюскам Григорьевского лимана присущи показатели стабильности лизосомальных мембран клеток гемолимфы подобно мидиям, отобранным в районе УкрНЦЭМ. При этом они занимают промежуточные позиции между мидиями с высокой и низкой устойчивостью в отношении к действию нейтрального красного на лизосомальные мембраны в клетках их крови. 50 % и 75 % разрушенных мембран было отмечено почти в 2 раза быстрее, чем у моллюсков из зоны курорта Коблево, а 100% – в 1,4 раза.

Таким образом, результаты проведенных нами исследований зависят, прежде всего, от качества морской среды в районе сбора мидий. Учитывая полученные результаты по оценке лизосомальной стабильности мембран клеток гемолимфы мидий с разных мест побережья северо-западной части Черного моря, исследованные районы, возможно расположить в последовательный ряд по мере ухудшения качества морской среды: курорт Коблево-Григорьевский лиман, район УкрНЦЭМ-район сброса стоков санатория "Аркадия", Сухой лиман - акватория Одесского порта.

Анализ полученных результатов указывает на то, что динамика процесса деструкции мембран во время их полного разрушения находится в прямой зависимости от качества среды, в которой обитают мидии. По этому интегральному показателю представляется возможным проводить индикацию (биоиндикацию) качества морской среды.

Таблица 1. Результаты оценки стабильности лизосомальных мембран клеток крови мидий, отобранных с разных мест побережья северо-западной части Черного моря (по времени удержания нейтрального красного, в минутах)

Место отбора проб

Количество поврежденных лизосом, %

Максимальная величина

Минимальная величина

Limit

Средняя величина

Доверительный интервал

Район УкрНЦЭМ

50

75

100

150

150

180

15

15

90

135

135 90

71,7

94,5

129,0

14,61

14,61

9,74

Район порта Одесса

50

75

100

30

60

180

15

15

30

15

45 150

17,5

36,0

84,0

1,99

5,98

16,23

Лиман

Григорьевский

50

75

100

120

150

180

15

60

90

105

90

90

61,5

96,0

135,0

13,96

11,97

11,97

Курорт

Коблево

50

75

100

180

180

180

90

180

180

90

0

0

150,0

180,0

180,0

11,97

0,00

0,00

Лиман Сухой

50

75

100

60

90

180

15

15

60

45

75

120

33,3

53,0

96,7

5,35

8,93

14,28

Район сброса стоков санатория "Аркадия"

50

75

100

15

150

180

15

15

30

0 135 150

15,0

48,0

102,0

0,00 14,61 16,23

Литература

1. Topping G. Guidelines for the use of biological material. In: The ferst order pollution assesment and trend monitoring. Dept of argiculture and fisheries for Scotland, Marine laboratory. // Scotish fisheries Research Report, N 28. 1983. 28 р.

2. Depledge M.N.,Amaral-Mendes J.J., Daniel B., Halbrook R.S.,Cloepper-Sams P.,Moore M.N.,Peaccal D.P. The conceptual basis of the biomarker approch. //In: Biomarkers – Research and application in the assesment of environmental health, 1983. P. 15-29.

3. Lowe D.M., C.Moore M.N., Evans B.M. Contaminant impact on interactions of molecular probes with lysosomes in living hepatocytes from lab Limanda.// Mar.Ecol.Prog.Ser., 1992. 91. P.35-140.

4. Lowe D.M.,Soverchia C.,Moore M.N. Lysosomal membrane responses in mussels to experimental contaminants exposure.// Aquatic Toxicol.,1995. 33. Р.105-112.

5. Goldberg E.D.,Bowen V.T.,Farrington J.,Harvey G.,Marin G.H.,Parker P.L.,Risebbrough R.W.,Schneider E., Gamble E. The mussel wotch.Environ Constrv.,1978. P.101-126.

6. Lowe D.M. Alteration in cellular structure of Mytilus edulis resulting from exposure to environmental contaminants under field and experimental conditions.// Mar.Ecol.Prog.Ser.46, 1988. P.91-100.

7. Moore M.N.,Pipe R.K.,Farrar S.V.,Tompson S.,Donkin P. Lysosomal and lysosomal responses in Littorina littorea: further investigations of invironmental effects in the vicinity of the Sullomon Voe Oil Terminal and effects of experimental exposure to phenantherene.// In: Oceanic Processes in Ìarine Pollution-Biological process and Waste in the ocean, 1986, Vol.1.P.86-96.

8. More M.N. Citochemical responses of the lysosomal system and NADPH-ferrihemoprotein reductase in molluscan digestive cells to environmental and experimental exposure to xenobiotics.// Mar.Ecol.Proc.,1988, Ser.46.P. 81-89.

9. Bayne B.K.,Addison R..F.,Capuzzo J.M.,Clarke K.R,.Gray J.S.,Moore M.N.,Warwick R..M. An overview of the GEEP Workshop.// Mar.Ecol.Prog.1988 Ser.46. P.235-243.

10. Lowe D.M.,More M.N.,Evans B.M. Contaminant impact on interactions of molecular probes with lysosomes in living hepatocytes from dab Limanda limanda.//Mar.Ecol.Prog.,1992, Ser.91. P.35-140.

11. More M.N., Livingstone D.R..,Widdows J. Hydrocarbons in marine molluscs: biological effects and ecological consequences./ In: Metabolism of polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Aquatic Environment.,1988. P.291-328.

12. More M.N. Cellular responses to pollutants.//Mar.Pollut.Bull.,1985, N 16. P.134-139.

Нет пока ответов

Комментарии закрыты.