Особенности состояния пищеварительной системы осетровых рыб в период нерестовой миграции в р. Волга

Актуальность проблемы. В настоящее время остро стоит вопрос сохранения запасов осетровых в естественных водоемах с помощью применения ряда мер как по охране запасов, так и доведения их воспроизводства до необходимого уровня. С середины 50-х годов неотъемлемой частью мер по сохранению запасов осетровых стало воспроизводство молоди на осетровых рыбоводных заводах как компенсация ущерба естественному нересту, в связи со строительством ряда волжских гидроэлектростанций (Ходоревская, 2001; Распопов и др., 2002). Не менее острым является вопрос создания такого товарного осетроводства, при котором взрослые осетровые рыбы, полученные в товарном цикле, служили бы производителями, не уступающими по рыбоводным качествам рыбам, выросшим в естественных водоемах (Иванов, 2002; Васильева, 2003).

В этих условиях значимую роль приобретают морфофункциональные исследования осетровых рыб, в том числе их пищеварительной системы. Пищеварительная система является ведущей системой, обеспечивающей обмен веществ, формирующей тело рыбы, особенности компонентного Р состава (Кузьмина, 2000; Абдурахманов и др. 2003; Неваленный, 2002). Одновременно пищеварительная система весьма лабильна и чутко реагирует даже на незначительные изменения факторов окружающей среды, отражает физиологические особенности организмов. Изменения условий роста рыбы, рационов её кормления, применение методик, ускоряющих достижение половой зрелости рыбой, оказывают значительное влияние на состоянии пищеварительной системы организма (Строганов, 1968). Выполнявшиеся ранее исследования затрагивают, прежде всего, проблемы формирования и функционирования пищеварительной системы у молоди осетровых (Гершанович и др., 1987), хотя не менее важным представляется изучение пищеварения и пищеварительной системы у взрослых осетровых рыб. Таким образом, в современных условиях актуальны исследования особенностей состояния пищеварительной системы осетровых в период нерестовой миграции.

Цель и задачи работы. Целью исследования являлось изучение морфофизиологического состояния пищеварительной системы осетровых рыб во время совершения ими нерестовой миграции в р. Волгу в связи с изменением содержания в тканях и органах рыб минеральных веществ.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

1. Исследовать уровень содержания микроэлементов в органах осетровых рыб (русского осетра Acipenser gueldenstaedtii, севрюги A. stellatus, стерляди A. ruthenus, белуги Huso huso) — в печени, пилорической железе, кишечнике, а также жабрах, почках, селезенке, мышцах и гонадах;

2. Методами кластерного анализа выявить сходство и различия между отдельными видами осетровых по уровню содержания микроэлементов в органах;

3. Изучить особенности процессов мембранного пищеварения у осетровых в период нерестовой миграции;

4. Проанализировать связь между физиологическим состоянием особи и особенностями структуры и функций пищеварительных органов;

5. Установить связь между величиной концентрации микроэлементов в органах пищеварительной системы осетровых и их морфометрическими характеристиками;

6. Выявить отклонения в функциях пищеварительной системы в связи с изменением содержания минеральных веществ в органах и тканях осетровых;

7. Оценить влияние отклонений концентраций микроэлементов от средних значений на ферментативную активности энзимных комплексов, ассоциированных в гликокаликсе эпителия желудочно-кишечного тракта.

Научная новизна исследования. Впервые проведено комплексное исследование состояния пищеварительной системы половозрелых осетровых, включающее в себя накопление различных микроэлементов в стенках желудочно-кишечного тракта и других органов, прослежены связанные с этим изменения морфологии и функции пищеварительной системы. Впервые использован кластерный анализ для изучения уровня содержания микроэлементов в органах осетровых, в том числе пищеварительной системе. Впервые представлены сведения о количественных характеристиках содержания микроэлементов в ряде органов. Исследованы патологические изменения в них в связи с повышенным содержанием микроэлементов. Изучены функциональные особенности пищеварительной системы осетровых на примере исследования активности пищеварительных ферментов. Полученные результаты значительно дополняют и расширяют представления о морфо-функциональном состоянии пищеварительной системы разных возрастных групп осетровых.

Практическая значимость работы — состоит в том, что показана адаптивная пластичность пищеварительной системы каспийских осетровых. На основе результатов исследования предложена возможность прогнозирования содержания некоторых микроэлементов в исследованных органах осетровых рыб. Материалы диссертационной работы включены в лекционные курсы по водной токсикологии, гистологии, энзимологии в Астраханском государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на межвузовской научной конференции молодых ученых и студентов «Белки-маркеры патологических состояний крови» в 1999 г., Астрахань, 4-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности», 1999 г., Санкт-Петербург, International conference AQUA, 2000 г., Италия, международной конференции «Биологические ресурсы окраинных и внутренних морей России и их рациональное использование», 2000, 4th International Sturgeon Symposium, 2001 г., США, международной конференции «Современные проблемы физиологии и биохимии водных организмов», 2004 г., Петрозаводск, а также на конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ в 1998;2006 гг.

Выводы.

1. Установлено, что минимальное содержание всех изученных микроэлементов (железа, марганца, никеля, меди, цинка, кобальта, свинца и кадмия) в органах пищеварения наблюдается у стерляди, составляя в печени 469,74 мкг/кг и 472,56 мкг/кг, 3,68 мкг/кг и 3,45 мкг/кг, 2,30 мкг/кг и 2,26 мкг/кг, 19,24 мкг/кг и 19,57 мкг/кг, 103,81 мкг/кг и 111,53 мкг/кг, 1,06 мкг/кг и 1,26 мкг/кг, 1,15 мкг/кг и 1,05 мкг/кг, 1,31 мкг/кг и 1,35 мкг/кг у самок и самцов соответственно. Максимальное содержание железа, марганца, никеля отмечено в печени у белуги (772,07 мкг/кг и 878,96 мкг/кг, 7,86 мкг/кг и 6,28 мкг/кг, 5,34 мкг/кг и 4,63 мкг/кг у самок и самцов соответственно), железа и марганца в пилорической железе белуги (379,95 мкг/кг и 398,13 мкг/кг, 6,26 мкг/кг и 3,09 мкг/кг мкг/кг), никеля в пилорической железе осетра (9,09 мкг/кг и 8,13 мкг/кг у самок и самцов соответственно). Максимальное содержание меди и цинка (33,02 мкг/кг и 288,66 мкг/кг) наблюдается в печени самцов русского осетра. Особенности микроэлементного состава органов стерляди, в сравнении с другими проходными осетровыми, связаны с её экологическим положением среди изученных видов осетровых.

2. Классификация данных по микроэлементному составу органов осетровых возможна с использованием кластерного анализа, при этом микроэлементный состав органов пищеварения формирует распределение, сходное с таковым для всего анализируемого набора органов.

3. Наиболее высокие уровни общей протеолитической активности в желудочно-кишечном тракте отмечены у стерляди и белуги, несколько ниже у русского осетра и севрюги, уровень общей амилолитической активности наивысший у стерляди, по уровню альфаамилолитической активности все исследуемые виды близки между собой. Отмечено снижение вариабельности уровня ферментативной активности ферментов в ряду белуга, русский осетр, стерлядь, севрюга.

4. Наличие пищи в желудочно-кишечном тракте у отдельных особей белуги и стерляди, находившихся на ранних стадиях зрелости гонад (II, II-III СЗГ), сопряжено с повышенной на всех участках желудочно-кишечного тракта на 25−30% альфаамилолитической, общей протеолитической и общей амилолитической активностью в сравнении с ферментативной активностью в пищеварительном тракте у основной массы рыб, находящейся на более поздних стадиях зрелости.

5. Отмечена значимая корреляция (а<0,05) между морфометрическими характеристиками изученных осетровых и содержанием микроэлементов в органах пищеварения. Так, у самок белуги величина коэффициента корреляции г между содержанием железа в кишечнике и абсолютной длиной достигает 0,972 (г (2О)05=О, 444), у самцов осетра величина коэффициента корреляции г между содержанием меди в печени и абсолютной длиной достигает 0,673 (г (5О)05=О, 277).

6. Высокое содержание свинца и кадмия в печени у старших групп осетра и белуги сопровождается выраженной токсической жировой дистрофией печени. Повышенная концентрация этих элементов, а также меди, в стенках кишечника на 40−50% в сравнении со средним, влечет за собой десквамацию и дискомплексацию каемчатого эпителия на верхушках кишечных ворсинок и нарушение архитектоники кишечных ворсинок.

7. Установлено, что у особей русского осетра и севрюги, имеющих высокое содержание кадмия в органах желудочно-кишечного тракта в сравнении с особями, имеющими более низкое его содержание, наблюдается сниженная общая протеолитическая и общая амилолитическая активность в исследованных отделах кишечника. У самцов русского осетра в группе со средним содержанием кадмия в кишечнике 2,50 мкг/кг, уровень амилолитической активности снижен на 15% в сравнении с особями, имеющей среднее содержание кадмия 1,20 мкг/кг.

Заключение

.

Являясь одним из последних звеньев в цепях питания, осетровые становятся чувствительным элементом, остро реагирующим на избыток или недостаток микроэлементов в окружающей среде. Содержание отдельных микроэлементов в пищеварительных органах различных осетровых рыб старших возрастных групп изучено слабо.

В печени максимальные уровни содержания Fe, Mn, Со, Ni, Pb отмечены у белуги, несколько более низкие концентрации этих элементов отмечены в печени русского осетра, наименьшие концентрации перечисленных микроэлементов отмечались в печени севрюги и стерляди.

Уровень концентрации Cd и Си в печени русского осетра незначительно превосходил содержания Си и Cd в печени белуги. Содержание Fe, Си, Zn, Mn, Со, Cd в пилорической железе у белуги превосходили уровни содержания этих микроэлементов в том же органе русского осетра, севрюги и стерляди. Содержание Ni и Pb в пилорической железе у русского осетра несколько превышало концентрацию этих элементов у белуги. В кишечнике белуги содержание Си, Со, Cd выше содержания этих элементов в кишечнике как русского осетра, так и стерляди, хотя концентрации Fe, Zn, Mn, Pb имели максимальное выражение у русского осетра. Необходимо заметить, что уровень содержания микроэлементов у белуги в органах пищеварительной системы почти во всех случаях превосходит аналогичный уровень у русского осетра, севрюги и стерляди. У всех изученных видов осетровых печень является «накопителем» микроэлементов. Отметим, что присутствие Cd и Pb в значительных количествах в пищеварительных органах каспийских осетровых дает основание говорить о возможном неблагоприятном воздействии этих токсических микроэлементов на морфологию и функции органов желудочно-кишечного тракта.

Для удобства изучения степени сходства и различия уровней содержания микроэлементов в органах осетровых были использованы трехмерные графики и карты линий уровней, поскольку использовавшиеся ранее способы отображения данных не позволяли представить картину микроэлементного состава органов осетровых в целостности. Для осуществления поиска различий выполнены трехмерные графики и карты линий уровня, где на последних заметно, как картина распределения микроэлементов по органам стерляди существенно отличается от таковой прочих изученных видов рыб. Подобные отображения позволяют выявлять определенным образом выраженную степень сходства по распределению микроэлементов, например между самцами и самками осетра.

Выявлено, что между содержанием микроэлементов в некоторых органах и тканях и морфометрическими характеристиками наблюдается значимая корреляция. В ряде работ (Горден и др., 2000), связь между указанными характеристиками аппроксимируется сложными экспоненциальными или полиноминальными различных степеней зависимостями, однако по нашему мнению для представления зависимостей по подобным данным считаем лучше использовать линейную регрессию.

Для севрюги и осетра по содержанию микроэлементов во всех органах, в том числе пищеварительной системы, показано, что уровень содержания таких микроэлементов, как свинец, ртуть, кадмий имеет значимую связь с линейными размерами, содержание микроэлементов железа и цинка коррелирует также с массой тела.

У всех изученных видов отмечено снижение в мышцах концентрации железа и цинка, и напротив, увеличение концентрации в гонадах с ростом стадии зрелости гонад. Органы пищеварения на фоне мышц и гонад сохраняют стабильные концентрации микроэлементов. Необходимо отметить снижение концентрация железа в печени у белуги с возрастом, что может быть связано с возрастными изменениями ферментативных систем.

Кластерному анализу были подвергнуты данные по содержанию микроэлементов во всех изученных органах осетровых. Установлено, что отдельными кластерами представлены самцы осетра и белуги, и самки белуги и осетра, т. е. группирование объектов здесь происходит не по признаку вида, а по признаку пола. Стерлядь выделяется по изучаемым признакам в обособленную группу, включающих самцов и самок.

Наибольшее сродство между данными по микроэлементному составу органов отмечено для белуги и севрюги. Расстояние связи между отдельными объектами внутри ветвей здесь значительно меньше, чем в прочих случаях.

При рассмотрении содержания микроэлементов в органах пищеварения, обращает на себя внимание значительное сходство иерархического древа с таковым для всех органов рыб.

Сходство отмечено как в характере ветвления иерархического дерева, так и расстоянием связи между классифицируемыми объектами, возможно потому, что органы пищеварения являются структурой, включающей в себя мышечные, нервные, соединительные, эпителиальные ткани, кровь и лимфу, в совокупности формирующие ту же картину распределения микроэлементного состава, что и организм в целом.

Также отметим, что в отличие от мышц, теряющих запасы питательных веществ в период миграции как на движение, так и происходящий в то же самое время процесс перераспределения питательных веществ в пользу органов размножения, органы пищеварения, могут являться более консервативной структурой по микроэлементному составу, в сравнении с другими органами.

Адаптационные изменения кишечных ворсинок четырех видов осетровых многообразны и проявляются, прежде всего, в виде пролиферации клеточных элементов однослойного каемчатого эпителия. Следует отметить, что пролиферация как призматического эпителия кишечных ворсинок, так и клеток подстилающей его соединительной ткани, обнаружена у большинства исследуемых рыб в большей или меньшей степени. В некоторых случаях пролиферация однослойного кубического эпителия кишечных желез, в сочетании с гипертрофией слизистых клеток, превращала подслизистую основу в мелкосетчатое образование, выделяющее слизь.

Пролиферация эпителия ворсинок кишечника возникала по всей высоте, особенно интенсивно в нижних их участках. Чаще всего на верхушках сросшихся кишечных ворсинок проявлялись разрастания в виде гребешков или щеток, глубоко вдававшихся в полость кишки. Иногда соседние кишечные ворсинки срастались в средних боковых отделах, деформируясь и образуя сложные «архитектурные» образования.

К патологическим процессам, происходящим в тканях кишечника, можно отнести дискомплексацию клеток эпителия при нарушении контакта между эпителиоцитами. Это явление обычно наблюдалось на верхушках кишечных ворсинок, также отмечено слущивание каемчатого эпителия, изменение размеров и формы этих клеток.

Следует отметить, что собственная пластинка слизистой оболочки кишечника была инфильтрована лимфоцитами. Подобная инфильтрация может быть расценена как защитно-приспособительная реакция организма рыб от проникновения токсикантов через кишечник.

При исследовании печени осетровых в ряде случаев выявлены её морфо-функциональные нарушения, что выражалось в накоплении жира в гепатоцитах. Это подтверждается случаями токсической жировой дистрофии печени. Патологические изменения в печени осетровых представлены также участками инфильтрации стенок внутрипеченочных сосудов и желчных протоков, очагами некроза печеночной паренхимы, различной величины и топографии. Все эти явления сопровождались сосудистыми расстройствами: неравномерным расширением внутрипеченочных капилляров, стазом в них, мелкими кровоизлияниями вокруг стенок сосудов разной величины и формы. Кроме того, обнаружены нарушения в виде амилоидоза стенок кровеносных сосудов печени.

Наиболее значительные нарушения в печени были отмечены у особей старших возрастных групп русского осетра и белуги, имевших в тканях пищеварительных органов высокие уровни свинца и кадмия.

Общая амилолитическая активность наиболее велика у стерляди, достигая величины 250 мкМоль*(г*мин)" ' в отделах кишечника как у самцов, так и у самок. Несколько ниже (на 20−25%) эта активность у белут, затем в порядке убывания активности следуют русский осетр и севрюга. Если рассматривать данные, сгруппированные по половому признаку, то становится заметна следующая особенность: у самок и самцов русского осетра различия по уровню общей амилолитической активности приблизительно в 10 раз выше, чем у самок. У севрюги различия по уровню активности самцов и самок носит менее выраженный характер. В отношении распределения общей амилолитической активности по различным участкам кишечника и различным пищеварительным железам следует сказать, что, в целом, характер такого распределения чрезвычайно разнообразен, отмечается рост активности от кардинального желудка к среднему кишечнику и пилорической железе, затем следует спад к ректальному отделу. Уровень активности в гомогенатах печени и поджелудочной железе выше, чем в органах пищеварительной трубки.

Альфа-амилолитическая активность, для всех групп рыб находится на почти одинаковом уровне, постепенно возрастая от кардинального отдела желудка к его пилорической части, затем к средней части кишечника, плавно снижаясь к его спиральному клапану. Наиболее велика, в сравнении с другими частями ЖКТ, альфа-амилолитическая активность в гомогенатах печени и пилорической железы у всех изученных видов рыб. У белуги и русского осетра более низкий уровень активности в исследуемых органах отмечается у самок, тогда как у севрюги и стерляди наблюдается обратная картина (Рис 6).

Общая протеолитическая активность достигает максимальных величин у стерляди, (15−20 мкМоль*(г*мин)-1). На втором месте располагается белуга, с уровнем активности на 20−50% меньшим, и еще ниже уровень активности у осетра и севрюги.

Для всех исследованных рыб, за исключением осетра, средний уровень общей протеолитической активности выше у самцов, чем у самок. Величина различий между особями разного пола по данному признаку колеблется от процентов и десятков процентов для севрюги и осетра, до двух раз для белуги.

В анализируемом материале представлены рыбы, находившиеся на разных стадиях зрелости гонад. Показано, что особи севрюги и осетра, находившиеся на iV-V СЗГ, и V СЗГ (последнее у самок наблюдалось после гипофизарной инъекции) имели: 1) значительно сниженный уровень ферментативной активности, иногда до нулевых значений, в сравнении с рыбами более ранних стадий зрелости гонад, 2) колебания значений ферментативной активности в зависимости от участка пищеварительного тракта у каждой особи существенно снижались и общая картина изменения активности от участка к участку кишечника приобретала спокойный, ровный характер.

Таким образом, созревание рыбы вызывало существенное снижение ферментативной активности, что, вероятно, связано с нерестовыми адаптивными перестройками организма рыб. Одновременно следует отметить то обстоятельство, что высокие величины ферментативной активности на ранних СЗГ практически всегда были сопряжены со значительными колебаниями уровня активности от участка к участку кишечника и, в целом, создавали значительную вариабельность данных.

Высокое содержание в стенках ЖКТ свинца и кадмия у некоторых особей белуги и осетра старших возрастных групп заметно снижает ферментативную активность общей протеазы и альфа-амилазы, а высокий уровень цинка у некоторых севрюг приводит к увеличению уровня общей амилолитической активности в кишечнике.