Водные экосистемы в настоящее время представляют собой наиболее загрязняемые природные объекты, так как в них аккумулируются загрязнения как поступающие со сточными водами промышленных предприятий, так и переносимые с воздушными массами. В Карелии одним из таких объектов, испытывающих значительную антропогенную нагрузку, является озерно-речная система Кенти-Кенто. Основным источником загрязнения данной системы являются сточные воды Костомукшского горно-обогатительного комбината. Верхнее озеро системы (Костомукшское) используется для хранения отходов производства. По химическому составу воды хвостохранилища отличаются высокой минерализацией (с преобладанием ионов калия, сульфатов и гидрокарбонатов), аномальным соотношением щелочных и щелочноземельных катионов и наличием взвеси размолотой горной породы (Лозовик и др., 2003). Следует отметить, что произошедшие за время работы комбината (с 1982 г.) изменения в минеральном составе вод системы Кенти-Кенто привели к существенным изменениям состояния биоты оз. Костомукшского, в частности, к обеднению видового состава ихтиофауны (Такшеев, 2005; Высоцкая и др., 2011). Так как хвостохранилище через р. Кенти связано с 10 другими озерами данной озерно-речной системы, то техногенные воды ГОКа оказывают влияние на экосистемы нижележащих водоемов. Одним из таких озер является оз. Окуневое – первое после хвостохранилища в озерно-речной системе Кенти-Кенто. В него попадают воды, профильтровавшиеся через дамбу, отделяющую оз. Окуневое от хвостохранилища, а также при периодических попусках техногенной воды по отводным каналам. Поэтому в настоящей работе в качестве объектов исследования были выбраны щуки Esox lucius, обитающие в оз. Каменное, на которое не оказывают влияние сточные воды ГОКа, а также в оз. Окуневое и в хвостохранилище. Для исследования были взяты самцы и самки щуки второй стадии зрелости гонад и возраста 5–7 лет.
Рыбы являются наиболее подходщими объектами исследования, позволяющими оценить процессы трансформации водоемов, поскольку показатели состояния популяций и организмов рыб отражают состояние окружающей среды. Ранее в наших исследованиях было показано, что важная роль в клеточных адаптациях к изменению факторов внутренней и внешней среды, в том числе в осуществлении защитных функций организма, принадлежит лизосомальным ферментам, в том числе ферментам углеводного обмена, поскольку углеводы являются самой распространенной группой органических соединений и выполняют в живых организмах множество важнейших функций (Такшеев, 2005; Высоцкая, Немова, 2008). Целью данной работы являлось изучение роли лизосомальных гликозидаз (β-галактозидазы и β-глюкозидазы) в разных органах щук, обитающих в водоемах с разным уровнем загрязнения отходами горнообогатительного комбината.
Активность ферментов и содержание белка определяли в почках, печени, жабрах, гонадах и мышцах рыб. Гомогенаты, приготовленные на 0,25 М растворе сахарозы с добавлением ЭДТА и неионного детергента тритона Х-100, подвергали центрифугированию при 10 000 g на центрифуге с охлаждением. При определении активности β-галактозидазы использовали в качестве субстрата раствор п-нитрофенил-β,D-галактопиранозида, β-глюкозидазы – раствор п-нитрофенил-β,D-глюкопиранозида на цитратном буфере. Активность обеих гликозидаз выражали в микромолях п-нитрофенола, освободившегося в условиях реакции за единицу времени (Высоцкая, Немова, 2008). Полученные результаты обрабатывали общепринятыми методами статистики, оценивая достоверность отличий по критерию U Вилкоксона–Манна–Уитни. Различия считали достоверными при p ≤ 0,05.
Активность β-глюкозидазы у щук из оз. Окуневого и хвостохранилища во всех органах была значительно ниже по сравнению со щуками из оз. Каменного. Активность фермента в печени, жабрах и мышцах у самцов в обоих водоемах, а также в почках самцов из хвостохранилища и гонадах самцов из оз. Окуневого была выше, чем у самок. Уменьшение активности данного фермента может служить следствием нарушения или изменения направленности отдельных реакций углеводного обмена (рис. 1). Следует отметить, что лизосомальные гликозидазы обладают широкой субстратной специфичностью и катализируют не только реакции гидролиза, но и трансгликозилирования. Их природными субстратами являются гликопротеины, протеогликаны, гликолипиды, полисахариды и другие вещества (van der Spoel et al., 2000, Spiro, 2002; Winchester, 2005). Кроме того, сами лизосомальные ферменты представляют собой гликопротеины. Гликозилированные белки и липиды участвуют в передаче сигналов, регуляции процессов обмена, защите организма от влияния химических и физических факторов. Учитывая вышесказанное, можно предположить их значительный вклад в защитные и приспособительные реакции в условиях воздействия промышленных поллютантов на обитателей водоемов. Полученные результаты свидетельствуют о том, что адаптивные сдвиги в активности ферментов углеводного обмена под действием отходов железорудного производства происходят, прежде всего, в печени и жабрах самцов – органах, вносящих значительный вклад в приспособительные реакции организма рыб.
В отличие от β-глюкозидазы активность β-галактозидазы во всех органах щук из загрязненных сточными водами ГОКа водоемов была значительно выше по сравнению с особями, обитающими в чистом оз. Каменном (рис. 2). Это может свидетельствовать об активации определенной группы лизосомальных гидролаз и служить следствием вовлечения в адаптивные реакции щуки галактозсодержащих липидов и протеогликанов. Следует отметить, что активность бета-галактозидазы и для самок, и для самцов была примерно одинаковой в незагрязненном отходами ГОКа оз. Каменном, но во всех органах самцов щук из оз. Окуневого была выше, чем у самок. Активность же данного фермента в хвостохранилище во всех органах (кроме печени) была выше у самок. Выявленные различия свидетельствуют о разной чувствительности самцов и самок к разным по составу техногенным водам (в оз. Окуневом присутствует только минеральная составляющая, а в хвостохранилище присутствуют также остатки горной породы и мелкодисперсная взвесь).
Рис. 1. Сравнительная характеристика активности β-глюкозидазы у щук из водоемов с разным уровнем антропогенной нагрузки
Рис. 2. Сравнительная характеристика активности β-галактозидазы у щук из водоемов с разным уровнем антропогенной нагрузки
Содержание белка было минимальным во всех органах щук, обитающих в оз. Окуневом по сравнению с щуками, обитающими в чистом оз. Каменном и хвостохранилище. Происходило увеличение содержания белка в гонадах, жабрах и мышцах щук, обитающих в хвостохранилище, что возможно связано с усилением процесса синтеза белка, в том числе защитных белков у особей, обитающих в водоеме с наибольшей антропогенной нагрузкой (рис. 3).
Рис. 3. Сравнительная характеристика содержания белка в органах самок щук из водоемов с разным уровнем антропогенной нагрузки
Полученные данные показывают, что лизосомальные гликозидазы проявляют высокую чувствительность к изменениям в химическом составе среды обитания рыб. Изменения активности отдельных гликозидаз по отношению к загрязнителям зависели от половой принадлежности и уровня загрязнения водоема. У рыб, обитающих в условиях постоянного воздействия поллютантов, формируется более высокий адаптивный потенциал.
Так, у щук, особенностью реакции этих ферментов на данный тип минерального загрязнения является то, что активность глюкозидазы во всех органах в условиях хвостохранилища и оз. Окуневого значительно снижалась, а галактозидазы – резко возрастала по сравнению с рыбами, обитающими в незагрязненном оз. Каменном (Высоцкая и др., 2011). Это говорит о сходном механизме биохимической адаптации у щук, обитающих в данных водоемах. По содержанию белка в органах щук из изучаемых водоемов различия были недостоверными в почках, но во всех других органах щук из оз. Окуневого наблюдалось значительное уменьшение его содержания, что свидетельствует о резком угнетении процессов биосинтеза белка, и особенно в жабрах. У рыб из хвостохранилища не происходило столь заметного изменения уровня содержания белка, по сравнению с особями из оз. Каменного. Возможно, такая реакция объясняется превалированием минеральной составляющей в загрязнении вод в оз. Окуневом по сравнению с хвостохранилищем, в котором присутствуют значительные количества взвеси размолотой горной породы. В этих условиях происходит ухудшение снабжения кислородом отдельных органов, что является причиной перехода на механизмы анаэробного обеспечения энергией, в которых принимают участие лизосомальные гликозидазы.
Таким образом, исследования показали зависимость биохимических реакций щук от половой принадлежности и состава техногенных вод. В оз. Окуневом эти механизмы биохимических адаптаций рыб сходны с теми, что наблюдаются в хвостохранилище КГОКа.
Работа выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования ИБ КарНЦ РАН при поддержке Программы Президента РФ «Ведущие научные школы РФ» НШ-3731.2010.4 и НШ-1642.2012.4, программ ОБН РАН «Биоресурсы 2009–2011», Президиума РАН «Биоразнообразие 2009–2011», Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Проблемы происхождения жизни и становления биосферы» № 28 (подпрограмма 2) 2012–2014 гг, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»(г.к. № 14.740.11.1034), гранта Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 8594.
Рецензенты:
Калинкина Н.М., д.б.н., заведующая лабораторией гидробиологии Института водных проблем Севера Карельского научного центра РАН, г. Петрозаводск;
Илюха В.А., д.б.н., профессор кафедры молекулярной биологии, биологической и органической химии эколого-биологический факультета, ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», г. Петрозаводск.
Работа поступила в редакцию 12.03.2013.