ИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ НА АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ СЕГОЛЕТОК СЕМГИ (SALMO SALAR L.)
Р.У. Высоцкая1, В.С. Амелина1, Н.К. Шустова2 1 Учреждение Российской академии наук Институт биологии Карельского научного центра РАН, г.
Петрозаводск, Россия2Северный научно-исследовательский институт рыбного хозяйства Петрозаводского государственного университета, г. Петрозаводск e-mail: rimma@bio.krc.karelia.ru
Добыча углеводородного сырья сопровождается множественными негативными воздействиями на окружающую среду, кормовую базу и ценные биоресурсы. В связи с наметившейся в мире тенденцией смещения работ по освоению нефтегазовых месторождений с суши на морской шельф возникла проблема минимизации вреда от этого рода деятельности человека на экосистемы морей,
качество воды, изменение условий жизни водных организмов, запасы промысловых видов рыб и
других обитателей моря (Научно-методические подходы 1997; Балаба, 2004). Среди разнообразных видов воздействия на биоту одним из самых опасных является химическое загрязнение водоемов, которое связано с поступлением в воду материалов и реагентов, используемых при проведении разведочных и эксплуатационных буровых работ, а также с технологическими отходами (Рыбина, 2004; Steinhauer et al., 1994). Наиболее токсичными являются буровые растворы: сложные смеси компонентов, облегчающих бурение при высокой температуре и повышенном давлении, предохраняющие буровое оборудование от коррозии, позволяющие сохранять целостность стенок скважины, регулировать вязкость и водоотдачу и т. д. В их составе есть органические и неорганические вещества, тяжелые металлы, ПАВ, пеногасители, смазочные добавки, биоциды. Установлено, что отдельные компоненты буровых растворов оказывают отрицательное влияние на фито- и зоопланктон, бентос, икру, личинок и молодь рыб и других животных (Савинов, Бобров, 1988; Джабаров, 1988; Дохолян и др., 1988; Сидоров и др., 2002; Рипатти и др., 2003; Немова, Высоцкая, 2004; Высоцкая и др., 2005).
Все это обусловливает высокие требования к экологической безопасности материалов и реагентов, применяющихся при буровых работах, и ставит перед необходимостью определять предельно допустимые концентрации каждого из компонентов буровых растворов. Определение токсичности этих веществ производится с использованием широкого комплекса методов, включает изучение поведенческих физиологических и биохимических реакций на них различных тестобъектов (Козак и др., 1988; Научно-методические подходы 1997; Шпарковский и др., 2003; Немова, Высоцкая, 2004).Целью исследования являлось изучение воздействия различных концентраций двух веществ - силиката калия и модифицированного крахмала, входящих в состав буровых растворов, на активность некоторых ферментов сеголеток семги. Экспериментальные работы проводили в аквариаль- ной СевНИИРХа ПетрГУ. Сеголетки средней массой 2.58 г и длиной тела 67.7 мм были получены с Выгского рыбоводного завода. Сначала молодь рыб адаптировали к условиям лаборатории в пресной воде, затем их выдерживали в течение двух недель в воде с соленостью 20 %о, для приготовления которой использовали морскую соль. Экспериментальные растворы готовили на «морской» воде. Силикат калия испытывали в концентрациях 31.2 , 62.5, 125.0, 250.0 и 500.0 мг/л; модифицированный крахмал - 15.6, 31.2, 62.5, 125.0, 250.0, 500.0, 1000.0 и 2000 мг/л. Экспозиция в аквариумах с аэрацией составляла 30 суток. Смену растворов осуществляли раз в неделю, за сутки до смены растворов рыбок кормили. Температуру воды поддерживали в пределах 9-11° С. По окончании экспериментов, оставшихся в живых рыб брали на биохимический анализ. Из мышц готовили гомогенаты, осветляли их центрифугированием, в надосадочной жидкости определяли активность лизосо- мальных (кислая фосфатаза, β-глюкозидаза, β-галактозидаза, ДНКаза, РНКаза), цитоплазматических (щелочная фосфатаза, альдолаза) ферментов и содержание белка (Высоцкая, Немова, 2008).
Как показали результаты исследования, оба реагента вызывали существенные изменения изученных показателей у молоди семги.
Содержание белка в мышечной ткани рыб снижалось практически во всех вариантах опыта и наиболее значительно при концентрации силиката калия 125 мг/л (рис.1). Этот препарат оказывал ингибирующее влияние на активность лизосомальной ДНКазы, щелочной фосфатазы и альдолазы. Активность же кислой фосфатазы и обеих гликозидаз заметно превышала контрольный уровень (рис. 2). Модифицированный крахмал в большинстве случаев снижал активность кислой РНКазы и активизировал ДНКазу. Особенно заметно повышалась активность β- галактозидазы и кислой фосфатазы по сравнению с контролем. Активность альдолазы и щелочной фосфатазы, напротив, под воздействием этого вещества угнеталась. Обнаруженные закономерности отчетливо прослеживались как при расчете активности ферментов на 1 г сырого веса ткани, так и на мг белка (рис. 3).
Рис. 1. Изменение содержания белка в тканях молоди лосося под влиянием различных концентраций компонентов буровых растворов (% к контролю). 2 - 31.2, 3 - 62.5, 4 - 125, 5 - 250, 6 - 500 мг/л силиката калия; 7 - 15.6, 8 - 31.2, 9 - 65.2, 10 - 125, 11 - 250, 12 - 500, 13 - 1000, 14 - 2000 мг/л модифицированного крахмала.
Рис 2. Изменение активности ферментов (на 1 г сырого веса ткани) в мышцах сеголеток лосося под влиянием различных концентраций силиката калия, % к контролю. А - ДНКаза, B - кислая фосфатаза, C - щелочная фосфатаза, D - альдолаза.
Рис.3. Изменение удельной активности ферментов (на мг белка) в мышцах сеголеток лосося под влиянием
различных концентраций модифицированного крахмала, % к контролю. A - β-галактозидаза, B - кислая фосфатаза, C - щелочная фосфатаза.
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что реакция со стороны изученных ферментных систем клетки на исследованные вещества является неспецифичной и направлена на повышение защитных и адаптивных сил организма рыб.
Известно, что молодь лосося очень чувствительна к химическому загрязнению (Юрцева и др., 2005). В ответ на появление в среде обитания загрязняющих веществ в клетках организма происходит образование большого числа лизосомальных структур, о чем свидетельствует возрастание активности фермента-маркера лизосом - кислой фосфатазы. О неблагоприятном воздействии говорит также факт снижения содержания белка в тканях подопытных сеголеток. Некоторые отличия в реакции на изученные препараты обусловлены их разной химической природой. Силикатные растворы щелочных металлов обладают высокой вяжущей способностью, благодаря чему их используют как гелеобразователи в смазочных реагентах, в качестве крепящей добавки и ингибитора при составлении рецептуры буровых растворов. Второй компонент отличается от силиката калия по химической структуре. Полученные путем химической модификации производные крахмала находят все более широкое применение в разных отраслях промышленности и, как продукт быстро возобновляемого сырья, успешно заменяют производные целлюлозы, в частности, карбоксметилцеллюлозу, входящую в состав буровых растворов (Джабаров, 1988). Используются вязкостные свойства модифицированного крахмала, его добавляют в буровые растворы в качестве стабилизатора и понизителя водоотдачи. Повышение активности лизо- сомальных гликозидаз, обладающих широкой субстратной специфичностью, является ответом организма рыб на появление в среде обитания высоких концентраций производных природного полисахарида, служащего для них субстратом. Интересным фактом является противоположно направленная реакция нуклеаз на испытанные реагенты, что указывает на разную вовлеченность генома в адаптивные перестройки организма.В целом, используя для оценки степени влияния данных веществ на молодь лосося разработанный в лаборатории биохимический интегральный индекс (Немова, Высоцкая, 2004), можно сказать, что вариабельность изученных биохимических показателей под воздействием обоих компонентов не выходит (за редким исключением) за рамки их естественной изменчивости.
Силикат калия оказывает более сильное воздействие на сеголеток семги по сравнению с модифицированным крахмалом, а токсичность обоих веществ не очень высока. Однако следует отметить, что эти рассуждения справедливы, если исследуетсявлияние одного реагента. В реальных условиях, когда на водные организмы воздействует целый комплекс веществ, входящих в буровые растворы, их токсичность значительно возрастает.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Президента РФ для ведущих научных школ НШ- 4310.2006.4, НШ-306.2008.4 и Программы ОБН РАН «Фундаментальные основы управления биологическими ресурсами» (2006—2008 гг.).
Литература
Балаба В.И. 2004. Обеспечение экологической безопасности строительства скважин на море // Бурение
и нефть. № 1. С. 18-21.
Высоцкая Р.У., Немова Н.Н. 2008. Лизосомы и лизосомальные ферменты рыб. М.: Наука. 284 с.
Высоцкая Р.У., Амелина В.С., Ломаева Т.А., Шустова Н.К. 2005. Изучение влияния компонентов буровых растворов на активность ферментов беломорских мидий (Mytilus edulis L.) // Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера. IV (XXVII) междунар. конф. Сб. материалов. Ч. 1. Вологда: ВГПУ. С. 94-95.
Джабаров М.И. 1988. Токсикологическая оценка действия реагента карбоксиметилцеллюлюзы на молодь белуги // V Всесоюзн. конф. по водной токсикологии (Одесса, 1988). Тез. докл. М.: ВНИРО. С. 112-113.
Дохолян В.К., Ахмедова Т.П., Коваленко Л.Д., Магомедов А.К., Шлейфер Г.С. 1988. Реакция рыб на присутствие в среде некоторых компонентов буровых растворов // Первая Всесоюзная конференция по рыбохозяйственной токсикологии (Юрмала, 1988). Тез. докл. Ч. 1. Рига: Госагропром Латв. ССР. С. 125-126.
Козак Н.В., Проценко Ю.Б., Шпарковский И.А. 1988. Поведенческие реакции рыб при действии буровых растворов и их компонентов // Там же. С. 199-200.
Научно-методические подходы к оценке воздействия нефтегазодобычи на экосистемы морей Арктики (на примере Штокмановского проекта). 1997. / Ред. Г.
Г. Матишов. Апатиты: Изд. КНЦ РАН. 393 с.Немова Н.Н., Высоцкая Р.У. 2004. Биохимическая индикация состояния рыб. М.: Наука. 216 с.
Рипатти П.О., Феклов Ю.А., Руоколайнен Т.Р., Маркова Л.В., Нефедова З.А., Тойвонен Л.В., Зекина Л. М. 2003. Липиды печени и мышц камбалы Platichtys flesus L. при воздействии компонентов буровых растворов в аквариальных опытах // Современные проблемы физиологии и экологии морских животных. Сб. на- уч. трудов. Апатиты: ММБИ КНЦ РАН. С.157-168.
Рыбина Г.Е. 2004. Токсичность буровых шламов разного состава нефтепромыслов Западной Сибири
для пресноводных гидробионтов: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Борок: Тюменская гос. сельскохозяйственная академия. 21 с.
Савинов В.М., Бобров Ю.А. 1988. Комбинированное действие феррумхромлигносульфоната (ФХЛС) и ДДТ на первичную продукцию фитопланктона Баренцева моря // V Всесоюзн. конф. по водной токсикологии (Одесса, 1988). Тез. докл. М.: ВНИРО. С. 167-168.
Сидоров В.С., Немова Н.Н., Высоцкая Р.У., Феклов Ю.А. 2002. Использование интегрального биохимического индекса при определении предельно допустимых концентраций промышленных токсикантов // Прикладная биохимия и микробиология. Т. 38, № 3. С. 345-350.
Шпарковский И.А., Муравейко В.М., Чинарина А.Д., Таскина Е.В. 2003. Хемосенсорные системы рыб и биоиндикация качества водной среды // Современные проблемы физиологии и экологии морских животных. Сб. науч. трудов. Апатиты: ММБИ КНЦ РАН. С. 62-70.
Юрцева А.О., Лайус Д.Л., Артамонова В.С., Махров А.А., Студенов И.И., Титов С.Ф. 2005. Влияние условий рыбоводных заводов на стабильность развития атлантического лосося из природных популяций рек бассейна Белого моря // Проблемы изучения, рационального использования и охраны ресурсов Белого моря. Петрозаводск: Издательский дом ПИН. С. 349-353.
Steinhauer M., Crecelius E., Steinhauer W. 1994. TEMPORAL and spatial changes in the concentrations of hydrocarbons and trace metals in the vicinity of an offshore oil-production platform // MAR. Environ. Res. Vol. 37,
no. 2. P. 129-163.