Цитохром P-450 - гемопротеид, содержащийся в оксигеназных системах, можно без преувеличения отнести к универсальной молекуле. Она обнаружена у бактерий, высших растений и млекопитающих. Наряду с основными функциями цитохром; P-450 может принимать участие в метаболизме чужеродных соединений. В определенных условиях изменение активности оксигеназы со смешанной функцией у организмов, взятых в качестве пробы из естественных популяций, может свидетельствовать о хроническом или остром загрязнении морской среды нефтепродуктами. Вероятно, предсказательная ценность этого показателя повысится, если будут уточнены границы его применимости.
Металлотионеины.
Процессы детоксикации некоторых тяжелых металлов у многих видов морских рыб, моллюсков и ракообразных идут путем их связывания с металлотионеиновыми белками. Так, например,при действии ртути в концентрации 5 мкг/л на лосося было обнаружено значительное увеличение концентрации ртути в тканях, связанное с ферментно-белковым аулом, и снижение значений показателя роста (Сариххо, 1981). При действии ртути в концентрации 1 мкг/л подобного эффекта не наблюдалось, по-видимому, потому, что весь металл образовывал комплексы с металлотиопеинами. B таких случаях о токсическом действии по концентрации металлов в тканях морских организмов можно судить с определенной осторожностью. Однако не все тяжелые металлы могут подвергаться детоксикации путем образования комплексов с металлотионеиновыми белками. Несмотря на это ограничение, содержание металлотионеинов в организмах, взятых из загрязненных экосистем, следует отнести к перспективным специфическим переменным, которые могут занять достойное место в системе мониторинга загрязнения морской среды тяжелыми металлами.
Энергетический заряд.
Показатель энергетического состояния организма позволяет оценивать количество химически связанной энергии, запасенной в пуле адениновых нуклеотидов и доступной в данный момент для метаболических процессов в организме. Энергетический потенциал определяется по формуле
ЭП= (АТФ+1/2АДФ) / (АТФ+АДФ+АМФ)
Установлено, что активность одних ферментов зависит от концентрации АТФ, активность других определяется концентрациями АДФ, АМФ или соотношениями АТФ/АМФ; АТФ/АДФ. Энергетический потенциал, являясь показателем энергетического состояния клетки, отражает общее регуляторное воздействие адениновых нуклеотидов на уровень клеточного метаболизма. Энергетический потенциал может измениться под действием внешних факторов. Снижение его значения до 0,5-0,75 означает, что процессы потребления и аккумулирования энергии разбалансированы под влиянием неблагоприятных факторов. 13 стрессовых условиях значения энергетического потенциала ниже 0,5 (Chapman et a1., 1971).
Основные достоинства метода с использован нем энергетического потенциала в качестве показателя воздействия загрязняющих веществ на биоту заключаются в следующем:
1. разность между значениями энергетического потенциала в нормальных и стрессовых условиях есть величина постоянная для данного организма;
2. внутривидовые различия значений энергетического потенциала очень малы, что позволяет работать с выборкой небольшого объема;
3. ответ на стрессовое воздействие может быть зарегистрирован быстрее, чем при использовании других показателей, к недостатку этого показателя относится, прежде всего, то, что при постоянном значении энергетического потенциала время обращения может значительно варьировать (Кпоw1ев, 1977). Поэтому стрессовые воздействия, влияющие на время обращения пула адениновых нуклеотидов, зарегистрировать трудно.
Стероиды.
Исследования метаболизма стероидных гормонов у морских рыб и млекопитающих свидетельствуют о том, что сублетальные концентрации загрязняющих веществ могут повлиять на ферментные системы, ответственные за стероидогенез, который в свою очередь определяет функционирование гомеостатического механизма животных. Обнаружена достоверная корреляция между влиянием сублетальных концентраций некоторых загрязняющих веществ и метаболизмом стероидных гормонов у птиц, рыб и морских млекопитающих. Однако эти данные были получены на небольшом экспериментальном материале и лишь в нескольких лабораториях. Поэтому показатель активности метаболизма стероидных гормонов сможет найти место в программах мониторинга на молекулярном уровне лишь мосле дополнительных исследований на широкой группе позвоночных и беспозвоночных животных. Именно по этой причине этот показатель не может быть рекомендован для включения в ныне действующие программы мониторинга.
Рис. 1. Генетические последствия влияния загрязнения на популяцию
Хромосомные нарушения.
Хроническое или случайное присутствие загрязняющих веществ антропогенного может привести, к различным нарушениям генетического плана (рис. 1). Например, присутствие загрязняющих веществ может изменить состав генетического пула, что в условиях генетической изменчивости в пределах популяции приведет в результате адаптации к изменению усредненного фенотипа популяции. Загрязняющее вещество может непосредственно влиять на генетический материал или вызывать различного рода мутации. При наличии специальной системы лабораторных тестов на мутагенность генетик может определить, какие вещества, поступающие в среду, обладают мутагенными свойствами.
Уровень ограноидов
Стабильность лизосом
Лизосомы во многих отношениях являются идеальной клеточной органеллой для исследований интегрального отклика на воздействие неблагоприятных факторов среды. Лизосом-фагосомный комплекс образует вакуолярную внутриклеточную пищеварительную систему, которая способна катаболизировать как эндогенные клеточные компоненты, так и экзогенные вещества. Считают, что в норме основной функцией лизосом является расщепление цитоплазматических компонент внутри вакуоли. В стрессовых условиях лизосомы могут перейти на гетерофагию, которая включает эндоцитоз (пиноцитоз и фагоцитоз). Главным образом питательных веществ из внеклеточной среды и их последующий транспорт в лизосом-вакуолярную систему. Таким путем может происходить внутриклеточное потребление внеклеточных веществ.
Одним из фундаментальных биохимических свойств лизосом является изоляция обладающих огромной разрушительной силой гидролитических ферментов. При нарушении стабильности мембран при определенных условиях возможны активизация гидролитических ферментов и в некоторых случаях выход их в цитоплазму, приводящий к частичному или полному цитолизу. Обнаружено, что лизосомы некоторых позвоночных, моллюсков и рыб способны накапливать ароматические углеводороды, асбест, кремнезем, производные аминоазобензина, бериллит, металлические порошки и вирусы, a также ионы меди, железа, свинца, цинка, никеля, серебра, ртути и плутония. Когда накопление этих веществ в лизосомах превышало некоторый уровень, мембраны лизосом разрушались и, как следствие, наблюдалась активация н выход ферментов в цитоплазму.
Клеточный уровень
Имеется ряд работ, в которых связь между загрязнением и повреждением клетки эпидермы и гиподермы ракообразных установлена электронно-микроскопическим методом. Использование этого показателя, несмотря на дорогостоящую, сложную методику и аппаратуру, в ряде случаев считается оправданным в системах мониторинга для выявления ранних повреждений, вызванных загрязнением (Sindermann et a1., 1980).
Тканевой уровень.
O наличии в морской среде загрязняющих веществ можно судить no морфологическим аномалиям или заболеваниям животных жгли растений. На сегодняшний день описан ряд болезней и патологических изменений у морских и эстуарных рыб, растений и беспозвоночных, возникающих при загрязнении. Однако в практику биологического мониторинга загрязнения морской среды можно внедрить лишь небольшое число патологических проявлений.
Для отбора показателей предлагается ввести дополнительные критерии:
1.наличие данных, показывающих связь заболевания с загрязнением;
2.изменчивость аномалии в зависимости от места, сезона, a также возраста и размера организма;
3.легкость и точность измерения аномалии;
4.относительная устойчивость аномалии;
5.затраты времени и стоимость получения данных;
6.соответствие специфичности аномалии в загрязнения;
7.виды, для которых характерна данная аномалия;
8.наличие данных о биологии и экологии используемых видов.
Язвы на коже
Язвы на коже, наблюдались у многих видов рыб, отловленных вблизи побережья и вдали от него. У трески обитающей в водах Северной Европы, частое появление этих язв получило название “ язвенного синдрома”. Недавнее исследования продемонстрировали связь между сезонными изменениями этого синдрома, степень о загрязнения вод углеводородами и увеличением в воде популяций, потенциально патогенных для рыб. Весной процент больных рыб у побережья выше, чем вдали, но к лету эта зависимость становится менее очевидной. Поэтому при отлове рыб с целью мониторинга нужно учитывать сезон года. Кроме того, следует проводить микробиологические тесты проб, взятых из донных осадков и водной толщи.
Эрозия плавников
эрозия плавников - одно из наиболее распространенных заболеваний рыб, четко связанное с загрязнением эстуарной и прибрежной среды.
встречаются два типа эрозии плавников. У приданных рыб, видимо, в результате прямого контакта с загрязненными донными осадками поражаются спинной и. анальный плавники, a у пелагических прибрежных рыб наблюдается общая эрозия, но с некоторым преимущественным поражением хвостового плавника. Вероятней всего, причины эрозии носят комплексный характер и могут включать химическиё агенты (которые влияют на мускус эпителий), дефицит растворенного кислорода в воде и вторичное бактериальное заражение. Систематическое заражение бактериями не обязательно связано с появлением эрозии плавика, хотя в пробе, взятой из язвы, можно выделить многие виды бактерий. Наблюдение за этим показателем рекомендуется проводить с учетом сезона года, размера рыб, чувствительности вида, условий обитания и миграции.
Аномалии скелета
3a последние годы увеличилось число случаев аномалии скелета у рыб. Приводится множество примеров спинных фузий и искривлений, позвоночного сжатия (уплощение), аномалий головы и плавника. Такие нарушения встречаются и у большинства природных популяций, no чаще всего они наблюдаются в загрязненных акваториях. Связь между частотой появления аномалий скелета водных позвоночных и загрязнением была подтверждена экспериментально. Хлорорганический пестицид Кепон, например, вызывал сколиоз у миног, при действии тяжелых металлов у рыб наблюдались искривления и разрывы позвоночника. Таким образом, мониторинг морских позвоночных на тканевом уровне включает тщательный осмотр рыб для выявления явных аномалий с последующей рентгеноскопией для обнаружения скрытых деформаций, например позвоночных спаек. He представляет особых трудностей обследование жаберных тычинок и спинных плавников. Большую пользу могут оказать планктонные и планктоновые пробы с целью обнаружения уродливых личинок и аномалий у ранней молоди.
Опухоли
Опухоли были обнаружены у представителей всех классов холоднокровных позвоночных, у двустворчатых моллюсков и насекомых. У 60 морских видов животных из разных групп и местообитаний были обнаружены инфекционные опухоли. Опухоли у рыб и моллюсков являются потенциально полезными показателям для мониторинга морской среды, по ограниченное географическое распространение видов, имеющих опухоли, и отсутствие опухолей у видов, имеющих широкое географическое распространение, a также недостаток данных о причинах; вызывающих опухоли, исключают возможность использования какого-то одного вида морской рыбы в качестве универсального индикатора.
Использование двустворчатых моллюсков для мониторинга химических карциногенов в окружающей среде имеет значительные преимущества, так как они, в отличие от рыб, например, профильтровывают большие количества воды в течение длительного времени. Важно также то, что относительно небольшое число видов обитает почти во всех эстуариях Мирового океана.
Более того, рак крови у двустворок описан для четырех континентов, и, хотя имеются доказательства в пользу как вирусной, так и химической этиологии этого заболевания, его появление, по-видимому, связано с присутствием загрязняющих Методика определения рака крови у моллюсков чрезвычайно проста и состоит в наблюдении за мутностью 0,5 смз жидкости, полученной из тела. Нормальные гемоциты прилипают стеклу, и капля быстро становится прозрачной. Раковые клетки становятся круглыми, не прилипают к стеклу, и сама капля очень похожа на каплю молока.
Иммунная реакция
Современными иммунологическими исследованиями показано, что рыбы в противоположность беспозвоночным вырабатывают высоко специфические антитела. Оказалось, что антитела, патогенные для человека, встречаются в 1,5-6% рыб мороне обитающих в заливе Чесапик. Это было отмечено преимущественно в эстуарных районах вблизи крупных поселений, причем кросскорреляция среди антител небольшая.
Имеется очень мало доказательств подавления иммунных реакций непосредственно загрязнениями. Так, при действии кадмия на рыб обнаружено снижение эффективности реакции фагоцитов. Были получены данные о генетическом отборе рыб с более высокими уровнями антител. Таким образом, тест на присутствие у рыб антител, патогенных для человека, может стать важной частью мониторинга, особенно ценной для тех видов рыб, которые имеют строго ограниченный ареал обитания.
Лимфоцитоз
Лимфоцитоз - заболевание, широко распространенное среди плоских рыб. Оно характеризуется образованием опухолеподобной ткани под кожей, содержащей гипертрофированные фибробласты размером до 2 мм. Это заболевание имеет вирусное происхождение. B некоторых случаях они могут быть переносчиками паразитов рыб. Имеются данные о том, что лимфоцитозом чаще заболевают рыбы, обитающие в загрязненных и нагретых водах. Поэтому этот показатель можно использовать для мониторинга, хотя следует иметь в виду, что лимфоцитоз иногда встречается среди популяций рыб и в незагрязненном районе в результате эпидемии. Известно, что некоторые болезни рыб находятся в скрытом состоянии и могут быть спровоцированы при действии неблагоприятных факторов. таким образом, лимфоцитоз служит ранним сигналом неблагополучного состояния среды и может в определенных условиях успешно использоваться в системах мониторинга.
Жаберная гиперплазия
Рыба может реагировать на химические вещества гиперплазией (клеточной пролиферацией) жаберного эпителия. Но количественная связь “причина-эффект” не известна, и ее еще предстоит выявить. Получить жаберные пробы не представляет особого труда.
Изменение ткани печени
Известно, что печень играет важную роль в детоксикации выведении загрязнении. Имеются экспериментальные данные том, что под действием загрязнения происходят различные паралогические изменения в ткани печени, в том числе образование, опухолей.
Уровень органов и систем органов
Мониторинг загрязнения на тканевом уровне, как уже было описано выше, большей частью связан с поражением того или иного органа или систем органов. Состояние органов оценивают по морфологическим и функциональным показателям.
Организменный уровень.
Основная цель отбора биологических показателей на организменном уровне сводится к оценке главным образом физиологического состояния особи и ее поведения, a также биологической значимости данных по концентрации загрязняющюших веществ в теле морских организмов. Однако эти данные будут представлять интерес только в том случае, если изменен величины отклика используемых показателей коррелируют изменениями на экосистемном уровне, т, е. если изменения физиологических показателей приведут к изменению экологической слаженности.
Влияние размера можно учесть, используя уравнение аллометрического роста v=аMb (где v - скорость роста, M - масса тела, a – постоянная b - показатель). Измерения физиологических показателей можно приурочить к какой-то фазе репродуктивного цикла или к какому-то времени года. Реакция организмов на загрязнение не всегда линейно за висит от действующей концентрации, так как существует пороговый уровень, ниже которого организмы могут детоксифицировать вещество. Аномальные отклики сигнализируют о том, что этот порог превышен. При надпороговых значениях концентрации вещества физиологическая реакция будет соответствовать величине действующего фактора. Если перенести организм чистую среду, то он снова окажется способным к детоксикации загрязнения, что, в конечном счете, приведет к нивелированию отрицательного отклика.
Питание.
для морских животных характерны разнообразные способ питания травоядность, питание детритом и седиментами фильтрация, некрофагия и хищничество. Процесс питания сложный и включает не только непосредственно пищеварение, но и поведенческие компоненты: поиск пищи, выбор и поимку жертвы, фильтрацию пищи из водного столба, завывание в донных осадках и др. Изменение скорости питания взвесью или осадками и образование фекалий служат показателями физиологического состояния в условиях загрязнения. Показатель скорости питание в естественных условиях изменяется в широких пределах. Он весьма чувствителен даже к небольшим изменениям количества доступной пищи, что сильно усложняет задачу определения фонового уровня.
Дыхание.
Скорость потребления кислорода. По этому показателю можно судить о физиологическом состоянии как целого организма, а так и изолированных тканей.Однако интерпретация данных измерений по потреблению кислорода затруднена из-за того, что обычно не учитывается влияние других экологических факторов, таких, как соленость, температура, время года и др. Респираторная активность. B программах мониторинга используются три показателя активности дыхания главным образом у пресноводных рыб: частота кашля, частота оперкулярного движения и частота сердцебиений. Частота кашля изменяется под действием физических (например, взвешенные твердые частицы) или химических (например, тяжелые металлы) факторовна эпителий жабр. Измерения частоты оперкулярного движения проводились на многих видах рыб в присутствии разных загрязнителей изменение обычно связано с уровнем потребления кислорода, хотя последний может быть сбалансирован за счет регуляции амплитуды движений. Изменение частоты сердцебиения также связано с изменениями потребления кислорода, хотя и в этом случае компенсация может быть достигнута путем изменения глубины дыхания. Из трех показателей частота кашля, по-видимому, наиболее чувствительный и удобный для исследователя отклик на широкий круг загрязнений.
Выделение и азотный баланс
Продукты выделения морских животных включают аммиак, мочу, аминокислоты и пурины. Баланс между поступающими в организм веществами с пищей и их выделением с продуктами жизнедеятельности обычно рассчитывают с помощью уравнения энергетического баланса и показателей роста. В тех случаях, когда содержание азота в пище лимитировано, потеря азота в выделениях может свидетельствовать об азотном нарушении баланса. Скорость выделения, превышающая значения нормы, может свидетельствовать о стрессовой ситуации, вызванной серьезным нарушением питания под влиянием загрязнения. Скорость выделения азота может дать больше информации о состоянии животного, если ее рассматривать наряду с другим физиологическими показателями. Отношение потребленного кислорода к выделенному азоту (отношение O/N) является индексом катаболического баланса белка, углеводов и липоидов, там как атомные эквиваленты потребленного кислорода при катабализме и выдeленного азота колеблются. Высокое значение индекса O/N указывает на преобладание липидного или угле водного катаболизма над распадом белков. Теоретическое минимальное значение O/N при исключительно белковом катя холизме равно приблизительно 7.
Рост.
Рост – один из важнейших параметров, характеризующих состояние популяции в конкретных условиях окружающей среды. Поскольку снижение скорости роста животных является неспецифическим откликом на любые стрессовые воздействия, следует быть очень внимательными при использовании этого показателя и интерпретации получаемых данных. 3амедление роста может наступить из-за снижения интенсивности питания или увеличения расхода энергии, связанного с дыханием или выделением, под действием разных экологических факторов – температуры, солености, концентрации 02, концентрации пищи, ионов металлов, нефти, скорости движения воды и др. Рост отдельных особей можно измерять прямым методом или косвенно. Непрямой метод, или физиологическая оценка роста является интегральным, поскольку включает измерение таких физиологических переменных, которые отдельно и вместе характеризуют состояние особи.
Несмотря на то, что лабораторные и полевые исследования по влиянию загрязнения на показатели роста в основном выполнены на ракообразных и двустворчатых моллюсках, a для рыб имеются данные только лабораторных опытов, этот показатель следует активно использовать в программах мониторинга.
Воспроизводство.
Снижение значений показателей роста может привести к снижению плодовитости животного, так как на образование гамет расходуется существенная часть запасаемой энергии. Любые наблюдаемые снижения показателей роста, особенно во время созревания гамет, могут быть сигналом резкого снижение репродуктивной способности родительского организма. Эмбриональные и личиночные стадии развития, как правило, наиболее чувствительны к токсикантам по сравнению со взрослыми особями. При изучении действия загрязняющего вещества на воспроизводство следует иметь в виду, что часть его может накапливаться в икринках и сохраняться там длительное время. (Ross Anderson, 1978). Контроль за этим накоплением позволяет с некоторой долей вероятности прогнозировать последующие стадии развития организма.
Определение плодовитости и оценка жизнеспособности гамет являются полезными показателями состояния особей, с помощью которых можно объяснить некоторые экологические нарушения.
Состав крови.
При оценке состояния рыб и их откликов на изменение окружающей среды в последние годы стали чаще использовать гематологические методы. Исследования крови беспозвоночных в связи с влиянием фактора окружающей среды немногочисленны.