CC BY
121
УДК 547.24
ВЛИЯНИЕ ФЕНОЛА НА СОДЕРЖАНИЕ КАРОТИНОИДОВ В ТКАНЯХ МОЛЛЮСКОВ1
© 2007 А.В. Гордзялковский, О.Н. Макурина2
Проведены исследования влияния различных концентраций фенола на содержание каротиноидов в тканях двух видов моллюсков: Am-pullaria gigas и Unio pictorum
Введение
Хозяйственная деятельность человечества в течение последнего столетия привела к серьезному загрязнению нашей планеты разнообразными отходами производства. Воздушный бассейн, воды и почвы в районах крупных промышленных центров часто содержат токсичные вещества, концентрация которых превышает предельно допустимую (ПДК).
Так, например, наблюдается широкая экспансия фенолов в окружающей среде. Это обусловлено уникальными физико-химическими свойствами - хорошей растворимостью, как в водной среде, так и в органических матрицах, низким давлением паров и высокой реакционной способностью. Весь комплекс этих свойств приводит к загрязнению биосферы не только фенолом, но и огромным количеством его производных [1, 9].
Из литературных данных известно, что существует широкий диапазон изменчивости чувствительности гидробионтов различных таксонов по отношению к фенолам [10, 14]. Различные фенольные соединения широко распространены у растений, животных, микроорганизмов. Как активные метаболиты они играют большую роль в регуляции биосинтетических процессов, а как природные соединения фенолы включены в естественный круговорот органических веществ.
Развитие промышленности, сопровождающееся увеличением объема промышленных стоков, внесло в естественный круговорот фенольных соединений существенные изменения. Наряду с фенолами, поступающими в водоемы с отмирающими организмами, туда же и при том во все увеличивающихся количествах стали поступать фенолы антропогенного происхождения. В результате возникли такие направления исследований, как: 1) изучение влияния фенолов на
1 Статья представлена доктором биологических наук, профессором Н.В. Прохоровой.
2 Гордзялковский Александр Вадимович, Макурина Ольга Николаевна ([email protected]), кафедра биохимии ГОУВПО «Самарский государственный университет», 443011, Россия, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.
физиологию и жизнеспособность различных видов гидробионтов; 2) сравнительный анализ биохимических показателей метаболизма различных видов животных при воздействии одинаковых по химической природе соединений; 3) анализ деструктивной активности гидробионтов и их комплексов и выяснение возможности ее усиления.
Целью данной работы является изучение влияния раствора фенола различной концентрации на содержание каротиноидов в тканях моллюсков двух видов: Am-pullaria gigas и Unio pictorum.
В рамках поставленной цели нами решались следующие задачи:
1) определить содержание каротиноидов в тканях двух видов моллюсков в зависимости от действия фенола различной концентрацией; 2) дать сравнительный анализ содержания каротиноидов в различных тканях двух видов моллюсков в зависимости от действия фенола различной концентрации.
1. Методика исследования
Объектом исследования служили ткани моллюсков (Ampullaria gigas и Unio pictorum).
Схема проведения эксперимента заключалась в том, что животные разделялись на группы (по 8 особей в каждой), которые помещали в стеклянные емкости объемом 3 дм3 с отстоянной водой (контрольная группа животных) и в воду, содержащую различные концентрации фенола - ПДК и 10 ПДК (опытные группы моллюсков). Через 18 часов после начала эксперимента животные извлекались из воды. Препарированные органы исследовались далее на содержание в них каро-тиноидов.
Выделение каротиноидов и определение их содержания в тканях моллюсков осуществляли общепринятым методом [7].
2. Результаты исследований и их обсуждение
В результате проведенных нами экспериментов было установлено, что в контрольной группе моллюсков Ampullaria gigas концентрация каротиноидов составила 0,561±0,007 мг/100 г в жабрах, 0,169±0,003 мг/100 г в ноге,
11,612±0,018 мг/100 г в печени, 0,200±0,005 мг/100 г в мантии и 0,769±0,003 мг/100 г в остатке тела моллюсков (рис. 1, 2). Наибольшее количество каротиноидов содержалось в печени животных (рис. 3). Как известно из литературных источников [3, 4, 8, 11, 12], каротиноиды не синтезируются в организме моллюсков, но могут поступать с пищей и накапливаются в их организме, а также они могут модифицироваться в организме животных. Вероятно, каротиноиды являются антиоксидантами. Этим можно объяснить большое накопление их в печени, которая аккумулирует в себе различные вещества, участвующие в процессах жизнедеятельности животного и обеспечивающие его защиту.
У животных, находящихся в воде, содержащей ПДК и 10 ПДК фенола, концентрация каротиноидов в печени снизилась примерно в 1,5 раза (по сравнению с контролем).
я 0,25 s
Мантия Нога
Ткани моллюсков
Рис. 1. Содержание каротиноидов в мантии и ноге моллюсков Ampullaria gigas в норме (контроль) и при воздействии различных концентраций фенола
2,5
Жабры Остаток
Ткани моллюсков
Рис. 2. Содержание каротиноидов в жабрах и остатке тканей моллюсков Ampullaria gigas в норме (контроль) и при воздействии различных концентраций фенола
14
Печень Ткань моллюсков
Рис. 3. Содержание каротиноидов в печени моллюсков АшрыПапа gigas в норме (контроль) и при воздействии различных концентраций фенола
Содержание каротиноидов в жабрах и остатке тела моллюсков невелико, но превышает содержание их в мантии и ноге. А содержание каротиноидов в жабрах моллюсков, находящихся в воде с концентрацией, равной ПДК фенола, увеличилось на 50% по сравнению с контролем. Такая же тенденция наблюдается для остатка тела моллюсков. Концентрация каротиноидов в нем увеличивается в
3 раза по сравнению с контролем. Мы считаем, что каротиноиды меняют свою пространственную конфигурацию. Как известно из литературы [11], каротинои-ды являются веществами липидной природы, а, следовательно, они растворимы в органических растворителях. Экстрагирование проводилось ацетоном, и, возможно, каротиноиды перешли из связанной с липидами и беками (путем денатурации) формы в свободную.
Наши данные свидетельствуют о том, что содержание каротиноидов в остатке превышает содержание их в жабрах на 28% как в контроле, так и при воздействии фенола концентрацией, равной 10 ПДК. Концентрация фенола, равная ПДК приводят к тому, что в остатке концентрация каротиноидов вдвое больше таковой в жабрах. Остаток тела весьма разнообразен, в него могли войти различные органы, содержащие достаточное количество каротиноидов. Исследования показали, что гонады содержат большое количество каротиноидов [5]. Были идентифицированы 5 каротиноидов, содержащиеся в семенниках и яичниках. Относительные количества всех 5 каротиноидов различно. И пока мы можем только предположить, что фенол в разных концентрациях оказывает неодинаковое влияние на соотношения разных видов каротиноидов.
Содержание каротиноидов в таких тканях моллюсков, как мантия и нога, очень невелико.
Для мантии характерно снижение количества каротиноидов на 20% по сравнению с контролем, при действии фенола концентрациями, равными ПДК и 10 ПДК. Такой эффект можно объяснить тем, что под действием фенола в высоких концентрациях происходит окисление одних форм каротиноидов и переход их в другие, которые не фиксируются при выбранной нами длине волны.
Увеличение количества каротиноидов на 30% происходит в ткани ноги моллюсков для концентрации фенола, равной ПДК. Но при этом отмечается незначительное снижение их количества (на 10%) для 10 ПДК.
Несколько иная картина в содержании каротиноидов отмечена для тканей моллюсков ито ргс(огит. Так, в таких тканях, как мантия и жабры, отмечено не очень значительное повышение количества каротиноидов у животных, находящихся в воде, содержащей фенол в концентрации, равной ПДК, по сравнению с контрольной группой моллюсков. А при содержании животных в воде с концентрацией фенола, соответствующей 10 ПДК, количество каротиноидов в мантии больше такового в 4,6 раза, а в жабрах - примерно в 2 раза (рис. 4).
Мантия Жабры
Ткани моллюсков
в контроль □ ПДК В 10 ПДК
Рис. 4. Содержание каротиноидов в мантии и жабрах моллюсков ито рШогит в норме (контроль) и при воздействии различных концентраций фенола
В таких тканях моллюсков ишо рю1югит, как нога и печень, наблюдается существенное увеличение содержания каротиноидов в группе животных, находящихся в воде, содержащей фенол в концентрации ПДК. Так, в тканях ноги по сравнению с контролем содержание каротиноидов увеличивается в 2,3 раза, а в тканях печени - в 1,7 раза. Дальнейшее увеличение количества каротиноидов незначительно (рис. 5).
Нога Печень
Ткани моллюсков
Рис. 5. Содержание каротиноидов в ноге и печени моллюсков Пто р1с(огит в норме (контроль) и при воздействии различных концентраций фенола
Проведя сравнительный анализ количества каротиноидов в одних и тех же тканях исследованных видов моллюсков (АтриПайа gigas и Ишо рю1югит), можно сказать, что такой вид, как Ишо рю1отт, содержит значительно больше каротиноидов, чем АтриПайа gigas. На наш взгляд, такая тенденция объясняется особенностями этологии моллюсков. АтриПайа gigas обитают в толще воды, а Ишо рю1ютт ведут маловодвижный образ жизни и являются придонными формами. Поэтому уровень метаболизма АтриПайа gigas несколько выше, нежели у Ишо рю1;отт. Скорость обменных процессов также неодинакова у моллюсков этих двух видов, что приводит, по-видимому, к более активным защитным процессам в организме АтриПапа gigas, чем в организме Ишо рю1;отт,о чем косвенно может свидетельствовать содержание каротиноидов в столь различных по функциям и уровню метаболизма тканях.
Однако выявленные тенденции изменения содержания каротиноидов в тканях обоих видов моллюсков в зависимости от воздействующей концентрации фенола, во многом сходны (это наиболее выражено в случае воздействия фенола в концентрации, равной ПДК) для АтриПайа gigas и Шю рю1;огит. И такую особенность можно объяснить следующим образом.
Увеличение содержания каротиноидов в видимой области спектра в тканях моллюсков наблюдается при действии фенола уже в концентрации, соответствующей предельно допустимой. Это объясняется участием каротиноидов в молекулярных механизмах адаптации к неблагоприятному фактору среды - гипоксии, которая возникает при действии фенола на организм моллюсков. При загрязнении среды обитания в ней обычно происходит уменьшение концентрации кислорода (фенолы, сбрасываемые со сточными водами в водоемы, интенсивно по-
глощают при своем окислении растворенный в воде кислород) и, возможно, увеличение концентрации химических соединений, способных повреждать митохондриальный энергопроизводящий аппарат клетки [6]. Функцию энергообеспечения клеток при этом берут на себя специальные внутриклеточные органоиды -каротиноксисомы, которые содержат каротиноиды и систему терминального окисления. Каротиноиды участвуют в окислительном метаболизме моллюсков. Он основан на использовании системы сопряженных двойных связей молекулы каротиноида для депонирования кислорода. Такие оксигенированные каротиноиды представляют собой акцептор электронов в системе терминального окисления.
Для объяснения изменения концентрации каротиноидов в тканях моллюсков необходимо предположить, что молекула каротиноида с длинной цепочкой сопряженных ненасыщенных связей, поглощающая в видимой области спектра, способна обратимо связывать молекулу кислорода, теряя при этом окраску. Связывание кислорода сопровождается двукратным уменьшением количества двойных связей, находящихся в сопряжении, что приводит к соответствующему смещению полос поглощения из видимой в ультрафиолетовую область спектр.
Поступающий в организм кислород транспортируется дыхательным пигментом гемоцианином в различные ткани. В нормальных условиях, при нормальной метаболической активности клетки и потому малой скорости потребления кислорода дыхательной цепью, избыточная часть его запасается посредством использования сопряженных двойных связей молекул каротиноидов, что приводит к уменьшению числа сопряженных двойных связей в них. Это сопровождается уменьшением концентрации каротиноидов в видимой области спектра. При повышенной метаболической активности клетки или при загрязнении среды, когда скорость поступления кислорода через клеточную мембрану не удовлетворяет возросших потребностей дыхательной цепи в нем, происходит изъятие кислорода, ранее депонированного за счет использования сопряженных двойных связей в молекуле каротиноида. Это сопровождается соответствующим увеличением концентрации каротиноидов в видимой области спектра [2, 6, 13].
Таким образом, мы наблюдаем увеличение концентрации каротиноидов в видимой области спектра при действии фенола в концентрации, соответствующей предельно допустимой. Та же тенденция, по-видимому, наблюдается и при действии этого соединения в концентрации, превышающей ПДК в 10 раз.
С помощью каротиноидов происходит адаптация тканей (в частности, мантии, жабер, печени, ноги) к загрязнению среды обитания. Но в этих тканях содержание каротиноидов уже изначально разное. Чем метаболически более активная ткань, тем больше в ней каротиноидов. Кроме того, следует учитывать, насколько продолжительно и как непосредственно вазимодействует фенол, растворенный в воде с исследованными тканями моллюсков. От характера контакта ткани с экзотоксикантом во многом зависит и картина ответной реакции этой ткани.
Выводы
Разные ткани моллюсков Ampullaria gigas и Unio pictorum характеризуются различными концентрациями каротиноидов, что связано с метаболической активностью и этих тканей, и данных видов животных.
Наиболее чувствительными к воздействию различных концентраций фенола оказались ткани жабер, ноги, мантии Ampullaria gigas и Unio pictorum. В зависимости от концентрации фенола величина анализируемого биохимического показателя этих тканей различна.
В большинстве случаев наблюдается увеличение содержания каротиноидов в жабрах, мантии, ноге и печени Ampullaria gigas и Unio pictorum при действии фенола в концентрации, соответствующей ПДК.
Литература
[1] Александрова, Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации / Л.Н. Александрова. - Л.: Наука, 1980. - 288 с.
[2] Баканов, А.И. Использование комбинированных индексов для мониторинга пресноводных водоемов по зообентосу / А.И. Баканов // Водные ресурсы. -1999. - № 1. - С. 108-111.
[3] Бриттон, Г. Биохимия природных пигментов / Г. Бриттон. - М.: Мир,
1986. - 422 с.
[4] Грин, Н.Биология / Н. Грин, У. Стаут, Д. Тейлор; перевод с англ. - М.: Мир, 1990. - Т. 1. - 368 с.
[5] Гудвин, Т. Сравнительная биохимия каротиноидов / Т. Гудвин. - М.: Изд-во иностр. литературы, 1954. - 396 с.
[6] Евсеева, Т.И. Оценка последствий техногенного загрязнения среды обитания на состояние биоценозов / Т.И. Евсеева // Реферативный журнал. -2002. - № 11. - Разд. 04А. - С. 29.
[7] Карнаухов, В.Н. Биологические функции каротиноидов / В.Н. Карнаухов. -М.: Наука, 1988. - 240 с.
[8] Карнаухов, В.Н. Роль моллюсков с высоким содержанием каротиноидов в охране водной среды от загрязнения / В.Н. Карнаухов. - Пущино: Наука, 1978. - 73 с.
[9] Козубова, Л.И. Органические загрязнители питьевой воды: Аналитический обзор / Л.И. Козубова, С.В. Морозов. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1993. - 167 с.
[10] Копытов, Ю.П. Адаптация морских нефтеокислителей микрофлоры к комбинированному загрязнению (экологические и физиолого-биохимические аспекты) / Ю.П. Копытов, И.А. Дивавин // Реакции гидробионтов на загрязнение. Сборник статей. - М.:Наука, 1983. - С. 63-68.
[11] Кретович, В.Л. Основы биохимии растений / В.Л. Кретович. - М.: Высшая Школа, 1973. - 342 с.
[12] Савинов, Б.Г. Каротин (провитамин А) и получение его препаратов / Б.Г. Савинов. - Киев: Изд-во Академии Наук Украинской ССР, 1948. -220 с.
[13] Физиология и биохимия гидробионтов // Сб. научных трудов. - Ярославль,
1987. - 159 с.
[14] Флеров, Б.А. Экспериментальное исследование фенольного отравления у рыб / Б.А. Флеров // Влияние фенола на гидробионтов. Сборник статей. -Л.: Наука, 1973. - 195 с.
Статья поступила в редакцию 26/XII/2006; в окончательном варианте - 26/XII/2006.
EFFECT OF PHENOL ON THE CONTENT OF CAROTINOIDES IN THE MOLLUSC TISSUES3
4
© 2007 A.V. Gordzjalkovskij, O.N. Makurina
Effect of several concentrations of phenol on the main tissues of two species of mollusk (Ampullaria gigas and Unio pictorum) is studied.
Paper received 26/XII/2006. Paper accepted 26/XII/2006.
3 Communicated by Dr. Sci. (Biology) Prof. N.V. Prochorova.
4 Gordzjalkovskij Aleksandr Vadimovich, Makurina Olga Nikolaevna ([email protected]), Dept. of Biochemistry, Samara State University, Samara, 443011, Russia.
