Эколого-физиологические особенности адаптивных изменений нейроэндокринной системы грызунов к условиям техногенного загрязнения среды молибденом на Центральном Кавказе: На примере лесной мыши

Актуальность работы. Всевозрастающее загрязнение окружающей среды приводит к тому, что существующие биологические виды, в том числе и сам человек, вольно или невольно подвергаются воздействию факторов различной физико-химической и биологической природы, многие из которых обладают мутагенными и канцерогенными свойствами (Алтухов, 1989; ГТорошенко, Абилев, 1988; Lewtas 1981 и др.). Особую остроту эта проблема приобрела в последние годы, когда традиционное понятие нормы постепенно утрачивает свой смысл, ибо сегодня оно отражает реальные условия существования организмов в окружающей среде при воздействии факторов, свойственных тем или иным регионам (Бочков, Чеботарев, 1989). В этой ситуации, когда существенно возрастает риск возникновения и распространения генетической, эколого-физиологической и другой врожденной патологии, а также преобразований природных популяций животных (Абдурахма-нов, Криволуцкий и др., 2003), перед учеными самых различных специальностей выдвигается целый ряд сложных первоочередных задач. К числу наиболее важных задач относится оценка текущих и отдаленных эколого-физиологических, генетических последствий контакта отдельных популяций животных, в том числе и человека, с загрязнителями среды в естественных и техногенных условиях, а также прогноз влияния остатков тяжелых металлов различных концентраций на эколого-гистофизиологические параметры животных, в том числе мелких млекопитающих (Одум, 1975).

В настоящее время Кабардино-Балкарская республика является одним из наиболее развитых в промышленном и рекреационном отношениях регионов Северного Кавказа. На ее сравнительно небольшой территории разрабатываются крупные месторождения вольфрама, молибдена и других полезных ископаемых. В связи с их переработкой в условиях Кабардино.

Балкарской республики, а также с завозом в течение ряда лет молибдена и вольфрама с Дальнего Востока, для обеспечения эффективной работы Нальчикского гидрометаллургического завода (НГМЗ) в последние годы, по данным Министерства охраны окружающей среды КБР, значительно увеличилось содержание микроэлементов в окружающей среде КБР, особенно в окрестностях г. Нальчика на территории НГМЗ на высоте 500 м над уровнем моря и г. Тырныауза на высоте 1500 м, где непосредственно добывают молибденовые руды, перерабатывают и утилизируются отходы «временно» для дальнейшей переработки.

Учитывая вышеуказанное, весьма важной (актуальной) является задача создания программы и системы интегрального биомониторинга мелких млекопитающих, обитающих в различных районах республики, а соответственно, через этот тест-объект определение влияния остатков тяжелых металлов в различных концентрациях на эколого-физиологическое состояние населения республики. Настоящая работа является одной из первых фундаментальных работ, проводимых в Кабардино-Балкарской республике в указанном аспекте. Работа выполнялась в соответствии с Законом РФ об охране окружающей среды в рамках ст. 6 Конвенции о биологическом разнообразии (Рио-де-Жанейро, 1992), а также с учетом научного направления кафедры общей биологии, экологии и природопользования КБГУ «Экологические основы эволюции и охраны растительного и животного мира» (приказ Минвуза РСФСР от 9.11.1978, № 525).

Цель работы. Целью наших исследований является изучение возможности использования мелких млекопитающих на примере лесной мыши из природной популяции в эколого-физиологическом мониторинге техногенного загрязнения горных экосистем урбанизированных территорий.

Задачи исследования.

1. Проанализировать содержание молибдена в почве, воде и растениях на территории Нальчикского гидрометаллургического завода (НГМЗ) и сопредельной территории.

2. Определить количественное содержание молибдена в органах гипота-ламо-гипофизарно-тиреоидной системы и изучить его воздействие на эко-лого-физиологическое состояние лесных мышей (Ар. «Бу^аНсиБ»), обитающих на экспериментальных участках.

3. Установить коррелятивные связи между содержанием молибдена в среде, пище и органах животных, обитающих на загрязненных территориях, а также длительно получавших избыток молибдена в лабораторных условиях.

4. Определить оптимальные концентрации микродобавок молибдена к рациону для нормального функционирования организма животных в экспериментальных условиях.

5. На основании полученных данных дать рекомендации по определению техногенного загрязнения горных экосистем и по использованию физиологической дозы для стимулирования работы эндокринных желез.

Научная новизна исследования.

— Впервые изучено содержание молибдена в различных звеньях миграционной цепи (почва-вода-растение-животный организм) в очагах загрязнения и прилагающих территориях.

— Впервые исследовано влияние повышенного содержания Мо в очагах загрязнения среды техногенными отходами на структуру и функции гипоталамуса, гипофиза и щитовидной железы лесных мышей и возможность использования морфологического состояния эндокринных желез мелких млекопитающих в качестве тест-объекта техногенного загрязнения экосистем урбанизированных территорий.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Установлено наличие на территории республики техногенных биогеохимических провинций с повышенным содержанием молибдена, на фоне его дефицита в окружающей среде и прямая взаимосвязь между количественным содержанием молибдена в среде и накоплением его в организме животных.

2. Техногенные отходы НГМЗ с повышенным содержанием Мо, вызывают у лесных мышей (Ар. «Бу^аНсиБ») существенные морфофизиологиче-ские изменения в системе гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа.

3. Определена доза молибдена (плато), стимулирующая нейроэндок-ринную систему экспериментальных животных (0,0125 мг/кг). Повышение концентрации Мо выше плато вызывает патологические изменения в изучаемой системе.

Теоретическое и практическое значение работы.

Изучение последствий загрязнения среды обитания млекопитающих выбросами промышленных предприятий представляет значительный интерес для определения характера вызываемых ими повреждений и адаптивных процессов к этим воздействиям.

Экспериментальным путем доказана возможность использования эндокринной системы мелких млекопитающих из природной популяции в качестве тест-объекта для оперативной индексации техногенного загрязнения горных экосистем на урбанизированных территориях.

Кроме того, значительный практический интерес представляет выявленная нами физиологическая доза молибдена, стимулирующая работу различных систем органов мелких млекопитающих.

Материалы исследования используются в лекционных и практических курсах экологии, генетики, физиологии и специальных курсах кафедр общей биологии, экологии и природопользования и физиологии человека и животных КБГУ. Кроме того, они могут быть использованы в организации научно-практических работ в различных учреждениях на территории ЮФО РФ.

106 Выводы.

1. Впервые для территории Кабардино-Балкарии, на фоне общего дефицита Мо в местах хранения техногенных отходов переработки молибденовых руд (НГМЗ) и прилегающих к ним территорий, приводятся материалы по содержанию молибдена в окружающей среде (почва, вода, растения).

2. Выявлена прямая корреляционная связь между содержанием молибдена в окружающей среде и его концентрацией в органах мелких млекопитающих в естественных и экспериментальных условиях.

3. Техногенные загрязнения среды молибденом вызывают у лесных мышей структурные и функциональные нарушения в системе гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа, приводящих к состоянию гипертиреоза. Одновременное увеличение Тз, Т4 и ТТГ у исследованных животных указывает на дисбаланс в системе щитовидная железа и гипофиз.

4. Установлены пороговые концентрации молибдена для мелких млекопитающих (физиологическая доза — 0,0125 мг/кгтоксическая доза 1,250 мг/кг) и их действие на систему гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа. Микродобавка молибдена в количестве 0,0125 мг/кг к рациону экспериментальных животных доводит его содержание в организме до необходимого плато и оказывает стимулирующее влияние на изучаемые эндокринные органы.

5. Повышение содержания Мо в рационе до 0,250 мг/кг и 1,250 мг/кг, вызывает морфофизиологические изменения в системе гипоталамус, гипофиз, щитовидная железа, характерные для тиреотоксикоза. Повреждающее действие Мо коррелирует с его концентрацией в пище. Высокое содержание Мо в рационе приводит к снижению нуклеиновых кислот в тиреоцитах и напряжения кислорода в тканях изучаемых органов, к деструктивным изменениям и нарушению кровоснабжения желез.

6. Дальнейшее накопление Мо в среде поблизости молибденперерабаты-вающих предприятий КБР создает реальную угрозу заболевания животных, обитающих на этих территориях, и населения прилегающих районов тиреотоксикозом, что указывает на необходимость разработки профилактических мер.

Заключение

.

Значение естественной геохимической среды для развития организмов и эволюции жизни определяется использованием организмами многих химических элементов с их специфическими свойствами в процессах обмена веществ и вхождением их в состав ряда биологически активных соединений.

Всевозрастающее загрязнение окружающей среды производственными отходами приводит к накоплению в биосфере большого количества микроэлементов технического генеза, которые включаются в звенья неразрывной единой миграционной цепи. Длительное диспропорциональное поступление в организм микроэлементов является фактором активации, либо ингибирования ферментов. В конечном счете, когда защитно-адаптационные возможности организма исчерпаны, это обуславливает дезорганизацию биохимических процессов. И, даже когда возникающие при этом патохимические процессы не приводят к формированию какого-либо эндемического заболевания, они могут способствовать снижению реактивной способности организма и, таким образом, создавать фон для развития того или иного заболевания (Бабенко, 1974). В таких случаях происходит нарушение функций или срыв их, возникают дисфункции, аномалии развития и обмена веществ. Так, по данным В. В. Ковальского (1957, 1974), Г. Я. Яровой (1962) и В. В. Ковальского, Г. Я. Яровой (1966), повышенное поступление молибдена с водой и пищей у людей, проживающих в Анкованской молибденовой провинции (Армения), обуславливает возникновение эндемической подагры, которая охватывает 38% взрослого населения.

Для выяснения сложных механизмов приспособления организмов к геохимической среде необходимо раскрыть общие закономерности действия на организм различных концентрации микроэлементов. Уровень синтеза ферментов и других биологически активных соединений в организме, обеспечивающий нормальное протекание физиологических процессов, наблюдается только в определенных пределах концентрации и соотношении в среде и в организме. Регупирующие системы организма (депонирование, выделительная, барьерная, синтеза биологически активных веществ) не могут нормально функционировать при концентрации микроэлементов выше или ниже этих пределов (Ковальский, 1963; Mertz, 1982; Frieden, 1984).

Обращает на себя внимание тот факт, что на недостаток молибдена в республике накладывается дефицит йода и обусловленная этим зобная эндемия. В литературе встречаются сведения о том, что дефицит молибдена в пище отягощает течение эндемического зоба (Уразаев, 1956; Москалюк, 1972; Green, Beinert, 1953; Hermodsson, 1965; Black, Webster, 1973). В то же время в республике имеются районы с повышенным содержанием ряда элементов (Mo, W, Си, РЬ), которые представляют собой составляющие отходов производства. Это территории близ ТВМК и НГМЗ.

При исследовании изменений химического состава среды и организма животных под влиянием техногенного загрязнения мы обнаружили значительное превышение количества молибдена в них по сравнению с контролем. В почве молибден содержится в количестве в 100−200 раз превышающем контроль, в воде почти 1000 раз, в растениях в 12−15 раз, в органах животных 2,5 раза. Обращает на себя внимание то, что антропогенное загрязнение почвы приводит к аномальному увеличению содержания Мо в растениях.

В животный организм молибден поступает с пищей и водой. Молибден является составной частью пятнадцати ферментов, три из которых встречаются в животном организме (ксантиноксидаза, сульфитоксидаза и альдегидоксидаза). И активность зависит от обеспеченности организма молибденом.

Молибден влияет не только на молибденсодержащие ферменты, но и на ряд других (Страхов, 1980; Гойнацкий, 1990; Виноградова и др., 1995; Сох, 1960; Capilna, 1963), для которых он является либо активатором, либо ингибитором.

У 57% отловленных лесных мышей с территории НГМЗ при микроскопи-ровании срезов щитовидной железы мы обнаружили структурные изменения различного характера. У одних особей диффузная гиперплазия тиреоидного эпителия с формированием паренхиматозного зоба. При этом часто наблюдается лимфоидная инфильтрация паренхимы железы. У других наблюдаются изменения, характерные для макрофолликулярного зоба. В центральной части таких желез наблюдаются дегенеративные склеротические явления. Встречаются также очаги некроза, где отмечаются характерные изменения (пикноз ядер, ка-риорексис и кариолизис).

В результате гиперплазии тиреоидного эпителия происходит формирование сосочковой структуры фолликула, что говорит о повышении функциональной активности щитовидной железы.

Нередко встречались срезы щитовидной железы лесных мышей с загрязненных территорий, где имеются микрои макрофолликулы, что напоминает картину смешанного зоба. Со стороны сосудистой системы также наблюдались изменения различного рода. У животных этой группы наблюдалось неравномерное кровенаполнение органа, кровеносные сосуды расширены. Наблюдается разрыхление стенок сосудов.

В плазме крови у лесных мышей с загрязненных территорий повышен уровень гормонов Т3, Т4 и ТТГ по сравнению с контролем. Такое нарушение отрицательной обратной связи объясняется нарушением тиреотропной функции гипофиза, который, очевидно, выходит из-под контроля регулирующих факторов. При анализе микропрепаратов гипофиза мышей с территории НГМЗ отмечается увеличение числа базофилов, вырабатывающих ТТГ, наблюдается также снижение числа хромофобных клеток.

В передних ядрах гипоталамуса (РУ, Б О) наблюдаются структурные изменения, указывающие на некоторое повышение его функциональной активности. Большинство клеток РУ ядер находится на стадии активной секреции. Они содержат светлое крупное ядро с хорошо выраженным ядрышком, светлую цитоплазму и незначительный тигроид. В связи с этим повышается выработка тире-олиберина, что говорит о дисбалансе гормонов гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной системы.

Ряд специалистов в области геохимической экологии (Ковальский, 1971 и др.) считают одной из важнейших задач определение границ концентраций химических элементов в почвах, кормовых растениях, пищевых рационах, в пределах которых обеспечивается возможность нормального развития и жизни живых организмов, а также определение пороговых концентраций, при которых нарушается течение жизненных процессов.

В связи с тем, что в биосфере Кабардино-Балкарии наблюдается дефицит молибдена, а в районах добычи и переработки молибденовых руд — его избыток, определение пороговых концентраций молибдена в различных средах в условиях КБР весьма актуально. В наших экспериментах белые лабораторные крысы в составе суточного рациона получали молибдена 0,0128 мг/кг живого веса, что ниже нормы. Потребность крыс в молибдене в сутки по данным Хен-ниг (1976) равна 0,02 мг/кг. Микродобавки молибдена в количестве 0,0125 мг/кг в сутки оказывают стимулирующее действие на организм. Со стороны щитовидной железы отмечается небольшое повышение функциональной активности. Увеличивается высота тиреоцитов, коллоид бледно окрашен, много резорбционных вакуолей. Количество нуклеиновых кислот в тиреоцитах повышается по сравнению с контролем и составляет 0,130±0,003 у.е., что указывает на повышение биосинтеза тиреоглобулина. В плазме крови наблюдается увеличение количества Тз и Т4 в пределах нормы. Содержание молибдена в органе составляет 9,0 мкг%.

Аденогипофиз находится в состоянии нормы. В ядрах переднего гипоталамуса обнаруживается увеличение количества гипертрофированных «светлых» клеток, находящихся на стадии секреции.

Видимо, концентрация микродобавки молибдена в количестве 0,0125 мг/кг возмещает дефицит молибдена в рационе, состоящем из продуктов местного происхождения, доводит его содержание в организме до плато и стимулирует нейроэндокринную систему и обмен веществ.

У животных, получавших 0,250 мг/кг молибдена в сутки, отмечаются изменения поведения, возбужденность, агрессивность, усиленная двигательная активность.

Гистологическое изучение срезов щитовидной железы крыс этой группы показало, что орган находится в состоянии функционального напряжения. Использование 0,250 мг/кг молибдена в качестве микродобавки приводит к изменениям в щитовидной железе, схожими с изменениями при токсическом зобе (по микрофолликулярному и смешанному типу). Содержание гормонов в плазме крови составляет Т3 -. 11,4±0,03 нг/мл, Т4 — 1546,4±53,3 мМЕ/л, ТТГ -11,8±0,07 мМЕ/л. Соотношение гормонов говорит о нарушении принципа обратной связи.

В аденогипофизе наблюдается увеличение базофильных тиреотрофов.

В гипоталамусе крыс под действием дозы 0,250 мг/кг наблюдается доминирование нейросекреторных клеток на стадии синтеза и секреции. В органах гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной системы происходит накопление молибдена: в щитовидной железе — 12,0 мкг%- в гипофизе — 4,7 мкг%- в гипоталамусе — 1,3 мкг%.

По мере повышения содержания молибдена в организме экспериментальных животных меняется внешний вид животных и поведенческие реакции, наблюдаются нарушение опорно-двигательного аппарата, заторможенность, значительное уменьшение массы и диарея, его повреждающее действие на нейроэндокринную систему усиливается. Наблюдаются очаги некроза, кровоизлияния, десквамация тиреоцитов. Снижаются и физиологические показатели щитовидной железы.

В гипофизе отмечаются дегенеративные и некротические изменения, нарушение кровообращения в микроциркуляторном русле.

В ядрах переднего гипоталамуса размеры нейросекреторных клеток уменьшаются. Наблюдается депонирование нейросекрета, много дегенерирующих клеток и значительные изменения нейроглии.

Итак, низкие дозы молибдена, дополняя его дефицит в основном рационе, благоприятно действуют на организм животных, повышая функциональную активность нейроэндокринной системы. Высокие дозы вызывают нарушения структуры и функции гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной системы различной степени в прямой зависимости от содержания молибдена в пище.