ИЗМЕНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ГИДРЫ (HYDRA OLIGACTIS PALLS.) ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АММОНИЙНОГО СОЕДИНЕНИЯ МОЛИБДЕНА

CHANGING SOME OF THE VITAL FUNCTIONS OF THE HYDRA (HYDRA OLIGACTIS PALLS.) UNDER THE INFLUENCE OF MOLYBDENUM COMPOUND AMMONIUM

Galina Shelamkova

Immanuel Kant Baltic Federal University, PhD in biology,

lecturer Institute for Transport and Technical Services,

Russia, Kaliningrad

Natalya Vinokurova

Immanuel Kant Baltic Federal University, PhD in biology, associate professor of Chemical-Biological Institute,

Russia, Kaliningrad

АННОТАЦИЯ

В работе выявлено воздействие низких концентраций тетрааквапарамолибдата аммония на выживаемость, репродуктивную функцию и пищевую реакцию Hydra oligactis Palls. Данное вещество вызывало снижение выживаемости, ингибирование репродуктивной функции, спонтанные реакции сокращений тела, снижение пищевой активности гидр.

ABSTRACT

In this paper detected the effects of low concentrations of ammonium tetra akva paramolibdat for survival, reproduction and alimentary reaction Hydra oligactis Palls. This substance caused a decrease in survival, inhibition of reproductive function, spontaneous reactions of the body cuts and decrease in feeding activity.

Ключевые слова: Hydra oligactis Palls.; гидра; воздействие; выживаемость; репродуктивная функция; тетрааквапарамолибдат аммония; пищевое поведение; предельно-допустимая концентрация.

Keywords: Hydra oligactis Palls.; impact; survivability; the reproductive function; tetra-aqua ammonium paramolybdate; alimentary reaction; maximum allowable concentration.

Производственная деятельность человека – один из существенных геохимических факторов настоящего времени, изменяющий химический состав среды обитания, в том числе и водной. Химический фон среды создаёт механизмы, меняющие структуру популяций через влияние на геномные показатели, функции жизнедеятельности и поведенческие реакции отдельных организмов [3, с. 1093; 4, с. 5; 5, с. 53; 8; 13; 16].

По этой причине живые организмы являются биоиндикаторами, способными тонко реагировать на негативные изменения среды обитания и сигнализировать задолго до того, как загрязнение достигнет опасных пределов [2].

Одним из методов оценки токсичности среды, в том числе и водной, является метод определения содержания предельно-допустимых концентраций (ПДК) опасных веществ. Несмотря на ряд недостатков, связанных в первую очередь со сложностью критериев оценки допустимых уровней влияния на различные показатели жизнедеятельности живых организмов этот метод успешно используется в биоиндикации и биотестировании.

Так при установлении ПДК для оценки степени токсичности, загрязняющих водную среду веществ используются разнообразные стандартные тест – объекты: планктонные ракообразные, ихтиофауна и другие гидробионты. Однако антропогенные поллютанты воздействуют на организмы и других трофических уровней. Так мало изучены показатели жизненных функций многоклеточных беспозвоночных гидробионтов, находящихся на нижних трофических уровнях, например, гидр на токсические соединения.

Известно, что одним из веществ, которое c промышленными и сельскохозяйственными стоками попадает в водоёмы, является тетрааквапарамолибдат аммония (ТПА). ТПА (NН₄)₆Мo₇О₂₄*4Н₂О является водорастворимой солью слабых аниона парамолибденовой кислоты и катиона аммония. ТПА содержит молибден в наиболее токсичной степени окисления + 6, является ингибитором коррозии металлов и микроудобрением, а также входит в состав кормовых добавок [15, с. 239]. Молибден участвует в азотном обмене, он катализирует синтез нуклеиновых кислот и белков, увеличивает содержание хлорофилла и витаминов в растениях. Молибден входит в активные центры ферментов энергообмена клетки: ксантиноксидазы, альдегидоксидазы, сульфитоксидазы. Однако при увеличении его концентрации свыше физиологической дозы неминуем летальный финал. Ион аммония NH₄ как составляющий ТПА, относится к группе резорбтивных ядов, он быстро без помех поступает из желудочно-кишечного тракта в кровь [14, с. 11]. Этот ион является источником аммиака NH₃ – бесцветного, хорошо растворимого в воде газа с резким запахом, раздражающим слизистые оболочки, который вызывает воспаления органов дыхательной системы и даже остановку дыхания и кровообращения, что влечёт за собой летальный исход [11].

В связи с этим весьма актуальным представляется изучение реакций беспозвоночных гидробионтов на воздействие ТПА и разработка критериев оценки его токсичности. В данном исследовании были изучены реакции выживаемости, пищевого поведения, размножения Длинностебельчатой гидры (Hydra oligactis Palls.) на ТПА

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В данном исследовании руководствовались методическими указаниями по «Биотестированиию и определению генетической опасности отходов, поступающих в окружающую среду» (РД 64-085-89, 1990) [9]. Экспериментальная серия концентраций: 1000–0,05 ПДК для водоёмов рыбохозяйственного пользования (1 ПДК для ТПА составляет 0,916 мг/л).

Вещество растворяли в дистиллированной воде. Контрольных животных содержали в отстоянной воде. Для нормального существования гидробиоценоза необходим определённый химический состав среды, являющийся результатом жизнедеятельности различных видов водорослей и беспозвоночных животных [10], поэтому во время экспериментов продукты жизнедеятельности животных из экспериментальных сред не удаляли.

Критериями воздействия послужили изменения в состоянии тела гидры, выживаемости и процесса размножения гидр, содержащихся в различных концентрациях ТПА. Надо особо отметить что, длинностебельчатая гидра, не относится к стандартным тестовым системам. Для изучения воздействия ТПА было использовано 468 особей.

Условия содержания гидр и изучение их размножения произведены по методике Канаева [7, с. 334–336]. Для изучения перехода гидр к половому размножению, их помещали по 12 штук в химические ёмкости 500 мл. Через сутки воду заменяли растворами соли ТПА разной концентрации. Животных кормили 1 раз в 3-е суток по 1–2 дафнии на 1 гидру. Первая группа животных (50 %) присутствовала в аквариальной лаборатории при температуре воздуха +22°С, вторую группу гидр (50 %) поместили на один месяц в лабораторию, с температурой воздуха +10°С.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Одной из первых реакций гидр на воздействие ТПА было резкое сжатие щупалец, продолжающееся волной сокращений от гипостома до аборального полюса. Продолжительность сокращений зависела от концентрации ТПА. В контроле сокращение и расслабление тела гидр наблюдали только при механическом воздействии на поверхностную плёнку воды, что считается нормальной реакцией на потенциальный пищевой объект. Как известно, нервная система гидр диффузная и нейронов в области гипостома и щупалец, значительно больше, поэтому изменения химизма водной среды, в первую очередь, затрагивают щупальца животных.

Подопытные гидры в эксперименте находились в депрессивно-стрессовом состоянии до 10-ти суток, именно в этот период влияние ТПА (независимо от температуры) оказывало наиболее ингибирующее влияние на процессы жизнедеятельности гидробионтов. Уменьшение концентрации вещества от 1000 до 100 ПДК приводило к увеличению показателя LT₁₀₀, характеризующего выживаемость животных, от 10 минут до 6 часов при температуре + 22°С. При температуре +10°С гидры погибали мгновенно во всех концентрациях соединения. При снижении концентраций вещества до 1–0,25 ПДК выживаемость гидр приближалась к 100 %, причём пищевое поведение мало отличалось от контрольного. Произошло защелачивание среды, и проявились признаки интоксикации животных: полный отказ гидр от пищи, сокращение шупалец, булавовидное утолщение их концов и, наконец, лизис щупалец. Количество съеденных дафний отличалось от контроля за период 5-суточного эксперимента через 1,5 часа после начала питания на 29–79 %, причём отмечалось снижение пищевой активности к 5 суткам только в растворах ТПА (таблица 1).

Таблица 1.

Интенсивность питания гидр дафниями в экспериментальных средах ТПА (в %)

Частичный лизис щупалец наблюдался у гидр в растворе ТПА (0,5 ПДК) к 4-м суткам (таблица 2). Это обстоятельство позволяет объяснить снижение количества дафний поглощённых в результате питания в экспериментальных растворах токсиканта.

Таблица 2.

Доля гидр с лизисом щупалец в растворе ТПА (в %)

Причём частично щупальца восстанавливались к 3-м суткам, после кормления животных на 2-е сутки эксперимента, а на 4-е сутки вновь происходил их лизис (таблица 2).

Известно, что в нормальном состоянии клеточные белки находятся постоянно в состоянии денатурации и ренатурации. При этом любое сверхпороговое повреждение усиливает процесс денатурации, который ренатурация не способна компенсировать. У экспериментальных гидр обнаруживались признаки паранекроза, из-за накопления в клетках денатурированных белков, что приводило к укрупнению коллоидных фрагментов цитоплазмы и наблюдалось в эксперименте по воздействию ТПА. При этом тело гидры белело (эффект «вареного белка»). Денатурацию белка и лизис щупалец у гидр вызывали все исследованные концентрации вещества, в том числе даже меньшие, чем ПДК для водоёмов рыбохозяйственного пользования. Необратимое сжатие тела гидр перед гибелью и цикл спонтанных сокращений при помещении их в любую из исследуемых концентраций ТПА также возможно объяснить нарушением структуры молекул сократительных белков мускульных отростков эпителиально – мышечных клеток из-за денатурации [17, с. 58].

Перед тем, как лизировались щупальца, гидры отказывались от пищи, при этом щупальца необратимо сокращались и на их концах образовывались булавовидные утолщения. В таком состоянии хищные инфузории быстро атаковали подопытных гидр и сосредоточивались на оральном полюсе. Важно, что даже концентрация ТПА ниже ПДК в 2 раза оказывала воздействие на пищевое поведение гидр и разрушала их щупальца. Поэтому даже концентрацию ТПА ниже ПДК нельзя назвать недействующей на гидру длинностебельчатую – кишечнополостное животное. Интересно отметить, что как только отмечалась интоксикация экспериментальных гидр на 2–3 сутки в растворе ТПА (0,5 ПДК), они поражались хищными инфузориями (таблица 3), причём заметно, что в контроле их количество неизменно в течение 7 суток эксперимента, а в среде с веществом в 2–3 раза выше. На 6–7 сутки численность хищных инфузорий резко падает только в растворе ТПА, что возможно связано с увеличением количества сувоек, присутствие которых не было отмечено ранее. Известно, что сувойки – гетеротрофы, обладают большой скоростью размножения и для них оптимум рН сдвинут в щелочную сторону [12]. Хищные инфузории и сувойки концентрировались вокруг гипостома и на щупальцах гидр. Подсчёт сувоек не производили.

Таблица 3.

Численность хищных инфузорий и сувоек на гидрах в экспериментальной среде ТПА (экз/гидра)

Вовремя 45-суточного хронического эксперимента в контрольной среде при температуре + 10°С отмечена гибель животных на 12-е сутки после полового процесса. Через 39 суток от момента полового процесса родительских гидр начинали развиваться оплодотворённые яйца. На 10-е сутки молодые гидры начинали почковаться. При такой же температуре раствора ТПА (0,5 ПДК) эффект перехода к половому размножению отсутствовал, соответственно, не отмечалось появление гидр новой генерации в течение 45-суточной экспозиции полипов в экспериментальной среде. Эффект перехода к половому размножению не отмечен и при температуре +22°С, как в контроле, так и в экспериментальной среде с токсикантом. Таким образом, снижение температуры водной среды катализировало только в контрольной группе гидр переход половому размножению. Следует дополнить, что у гидр, содержащихся в среде с ТПА, признаки почкования, как процесса бесполого размножения также отсутствовали.

Гидры отличаются высокой способностью к регенерации и ассиметричной полярностью. У растущих гидр почка может появиться на определённом минимальном расстоянии от гипостома или подошвы, так как последние служат организационными центрами, из которых противоположно направленны градиенты активации и торможения. Если в результате роста тела животного расстояние между гипостомом и будущей почкой будет недостаточным, то происходит ингибирование процесса почкования. Одной из причин отсутствия у гидр в растворах ТПА бесполого размножения являлось изменение расстояния между поясом почкования и гипостомом. «Головным активатором» гидр является пептид, стимулирующий рост всех способных к делению клеток и индуцирующий образование щупалец [6]. Интенсивность окислительных процессов и в связи с этим обмен веществ в организме полипа уменьшается от щупалец к телу гидры. Интенсивность обмена веществ в теле гидры снижается от аборального полюса к зоне почкования.

В результате проведённого исследования были выявлены эффекты воздействия ТПА в концентрациях даже ниже ПДК для рыбохозяйственных водоёмов на распространённое пресноводное кишечнополостное животное – гидру длинностебельчатую и сделаны следующие выводы.

ВЫВОДЫ

1. Впервые проведённое авторами исследование воздействия ТПА в концентрациях более низких, чем его ПДК для водоёмов рыбохозяйственного назначения на водное кишечнополостное беспозвоночное животное длинностебельчатую гидру (Hydra oligactis Palls.) показало наличие ответных реакций выживаемости, пищевого поведения, размножения.
2. Экспериментальные среды ТПА в концентрациях более 1 ПДК достоверно, а меньшие (0,5–0,25 ПДК) незначительно, снижали выживаемость гидр. Признаки гибели сопровождались спонтанными сокращениями тела, необратимым сжатием щупалец и тела, лизисом щупалец и паранекрозом.
3. Концентрация ТПА в 2 раза ниже ПДК оказывала опасное воздействие на пищевое поведение гидр. Вследствие того, что происходило защелачивание среды, и проявлялись признаки интоксикации животных, разрушались их щупальца и происходил полный отказ гидр от пищи.
4. В растворе ТПА с 0,5 ПДК было отмечено ингибирование репродуктивной функции гидр, при этом полипы не образовывали почек, и не переходили к половому размножению даже при температуре + 10°С, соответственно не отмечалось появления гидр новой генерации в течение 45-суточного эксперимента.
5. Отдельно следует отметить, что гидры в растворах ТПА быстро поражались хищными инфузориями, а позднее и сувойками, которые концентрировались вокруг гипостома и на щупальцах гидр. Возможно, это происходило из-за того, что уровень рН в средах с ТПА был сдвинут в щелочную сторону, что оптимально для этих простейших и увеличивало скорость их размножения.
6. В целом, в результате данной экспериментальной работы гидры показали значительно более высокую (в 2–4 раза) чувствительность к воздействию ТПА по сравнению со стандартными объектами биотестирования, используемыми при определении ПДК для водоёмов рыбохозяйственного назначения, что рекомендуется учитывать при разработке и коррекции показателей ПДК.

Список литературы:

1. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде. Справочник. – Л.: Химия. – 1985. – 528 с.
2. Брень Н.В. Использование беспозвоночных для мониторинга загрязнения водных экосистем тяжёлыми металлами (обзор). // Гидробиологический журнал. – 1999. – т. 35, № 4., С. 75–85.
3. Бычковская И.Б., Степанов Р.П., Федорцева Р. Ф. Внешние сигналы могут индуцировать устойчивое повышение частоты гибели клеток в популяциях. // Цитология. – 2000. – т. 42, № 11. – С. 1082–1093.
4. Васильев Ю.М. Клетка как чудо архитектуры. Часть 4. Натяжения цитоскелета контролируют архитектуру клетки и тканей. // Соросовский образовательный журнал. – 2000. – т. 6. – № 6. – С. 2–7.
5. Винокурова Н.В., Шартон А.Ю., Данилова М.В. Влияние сульфата железа и хлорида меди на структуру политенных хромосом личинок некоторых видов комаров-звонцов. // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Серия: Естественные и медицинские науки. 2008. № 7. С. 49–54.
6. Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология: Пер. с нем. – М.: Мир, 1982. – т. З. 344 с.
7. Канаев И.И. Гидра. Очерки по биологии пресноводных полипов – М.: Изд-во Академии Наук СССР, 1952, 372 с.
8. Либерман Е.А. Как работает живая клетка (цитоскелет). // – М.: Знание. (Новое в жизни, науке, технике. Сер «Биология»). – 1990. – 64 с.
9. Методические указания «Методические основы биотестирования и определения генетической опасности отходов, поступающих в окружающую среду» (РД 64-085-89, 1990): Руководящий документ по стандартизации. – М.: Мин. мед. пром. СССР, 1990. – 45 с.
10. Пикуленко С.О. Применение биологического тестирования природных и сточных вод в экологических исследованиях – М.: Наука, 1998, 71 с.
11. Полинг Л., Полинг П. Химия. – М.: Мир, 1978. – 683 с.
12. Протисты: Руководство по зоологии. – СПб.: Наука, 2000. – Ч. 1. – 679 с.
13. Регеранд Т.И., Дубровина Л.В., Михайлова Н.В. Биохимическая регуляция адаптационных процессов у гидробионтов при закислении среды. // Контроль состояния и регуляция функций биосистем. Сб. статей. Российская академия наук. Карельский научный центр. Институт биологии, Петрозаводск 1995 – 156 с.
14. Селиверстов В.В. Рекомендации по определению токсичности для рыб водной среды. – М., 1999, 12 с.
15. Химическая энциклопедия: В 5 т.: т. 3: Меди – Полимерные / Редкол.: Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. – М.: Большая российская энцикл., 1992. – 639 с.
16. Худолей В.В. Канцерогены: характеристики, закономерности, механизмы действия. – СПб.: ПИИ Химии СпбГУ, 1999. – 419 с.
17. Шеламкова Г.В. Реакция Paramecium caudatum Ehrbg., Hydra oligactis Palls., Plumatella fungosa – P. на сульфосоли натрия, тетрааквапрамолибдат аммония и их сочетания: диссертация ... кандидата биологических наук: 03.00.16. – Калининград, 2006. – 137 с.: ил.