На правах рукописи

Лукина Юлия Николаевна

ПРОБЛЕМЫ ЗДОРОВЬЯ РЫБ В ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

ЕВРОПЕЙСКО-СИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ ПАЛЕАРКТИКИ

Специальности: 03.02.08 – экология

03.02.06 - ихтиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора

биологических наук

Петрозаводск 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте водных проблем Севера Карельского научного центра Российской Академии Наук

Официальные оппоненты: Решетников Юрий Степанович - доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН Болотова Наталья Львовна доктор биологических наук, профессор, Вологодский государственный университет, заведующая кафедрой зоологии и экологии Селюков Александр Германович - доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник, Тюменский государственный университет

Ведущая организация: ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии»

Защита диссертации состоится “04” июня 2014 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.212.190.01 Петрозаводского государственного университета по адресу: 1185910, г.

Петрозаводск, пр. Ленина, 33, ПетрГУ, эколого-биологический факультет, ауд. теоретического корпуса

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Петрозаводского государственного университета www.petrsu.ru, с авторефератом – на сайте http://vak.ed.gov.ru и www.petrsu.ru Автореферат разослан «20» апреля 2014 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук И.М. Дзюбук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Постановка проблемы и ее актуальность. Проблема загрязнения окружающей среды давно вышла за рамки региональной и приобрела в XX столетии глобальный характер. Вполне обоснованно высказывание многих ученых о том, что увеличение населения Земли, стиль жизни и уровень экологического сознания людей, совместно с развитием промышленности и сельского хозяйства являются основными факторами деградации биосферы (Кондратьев, Донченко, 1999;

Матишов и др. 2003; Дмитриев, Фрумин, 2004). Сохранение биологического разнообразия – одна из ключевых задач современности, но устойчивое функционирование популяций и сообществ немыслимо без здоровых жизнеспособных особей, которые определяют качество других уровней биологической организации. Поступление в водные объекты стойких загрязняющих веществ и тяжелых металлов представляет в настоящее время главную угрозу водным экосистемам в силу их биоаккумуляции и биомагнификации на более высоких трофических уровнях, вызывая появление широкого спектра заболеваний практически у всех живых организмов (Binelli, Provini, 2003;

Kucklick et al., 2002; Sarkar et al., 2006; Sole et al., 2001). Очевидно, что воздействие высоко токсичных и устойчивых поллютантов на водные экосистемы следует изучать через призму биологических ответов гидробионтов, в связи с чем проблеме заболеваний живых организмов в природных экосистемах уделяется пристальное внимание во всем мире (Adams, 2002; Achuba, Osakwe, 2003; Stephensen et al., 2003; Silva, 2004; Zang et al., 2004; Avci et al., 2005; Hagger et al., 2006; Sturve et al., 2006; Khan, Billiard, 2007; Simonato et al., 2008; Pathan et al., 2010; Rascovic et al., 2010; Diniz et al., 2011). В нашей стране подобные исследования начались в 70-е и активно развивались до конца 80-х годов (Межнин, 1973; Аршаница, 1974; Леви, 1974; Кокуричева, 1974;

Щербаков, Чемова, 1974; Брагинский и др., 1979; Кокуричева, 1979; Щербаков, 1979; Метелев, 1977; Аршаница, Лесников, 1987). Впоследствии научное направление, связанное с оценкой здоровья гидробионтов, носило фрагментарный характер, и наибольшие достижения в этот период были достигнуты в области биохимической индикации состояния рыб (Сидоров, Немова, 2000;

Сидоров и др., 2003; Немова, Высоцкая, 2004 и др.). На современном этапе, когда уровень загрязнения многих водных экосистем достиг «критических величин», что приводит к гибели рыбы (Гераскин, 2013), в России возобновились исследования, посвященные данной проблеме (Моисеенко, 1997; Лукин и др., 2000; Моисеенко и др. 2002; Селюков, 2007, 2012; Гераскин, 2013).

Несмотря на достигнутый прогресс в познании последствий антропогенного влияния на гидробионтов (Steyermark et al., 1999; Bernet et al., 2000; Mondon et al., 2001; Triebskorn et al., 2002;

Vaschenko et al., 2003; Stentiford et al., 2003; Broeg et al., 2005; Silva, Martinez, 2007; Greenfield et al., 2008; Koca et al., 2008), работ, посвященных механизму повреждений на тканевом уровне и формированию реакций организма на загрязнение, неизмеримо меньше (Алтуфьев и др., 2003;

Гераскин и др., 1996, 1997, 2012; Карпюк и др., 2005). Вместе с тем, выяснение закономерностей и причинно-следственных связей в развитии патологий, вопросы механизма и дифференциации патологических процессов представляют несомненный интерес. Актуальность исследований, посвященных проблеме здоровья рыб, определяется не только ее диагностическими возможностями, но и прогнозированием последствий на различных уровнях организации живых систем.

Цель работы: установление закономерностей развития ответных реакций в организме рыб в водоемах Палеарктики на техногенное воздействие, выявление стереотипности и специфичности реакций на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях с учетом их роли в комплексной системе биоиндикации.

Задачи исследования:

1. Выяснить особенности накопления хлорорганических пестицидов, полихлорированных бифенилов и полициклических углеводородов в тканях рыб.

2. Оценить параметры окислительного стресса как ведущего механизма патогенеза на 3. Определить адаптивные перестройки на макромолекулярном уровне у рыб в условиях 4. Раскрыть механизм развития структурно-функциональных изменений в организме рыб в способствующие возникновению болезней.

этиологического фактора, классифицировать и оценить их роль в комплексной системе биоиндикации водных экосистем.

Научная новизна. Впервые на обширной территории Палеарктики (водные объекты Кольского п-ова, Республики Карелии, Республики Коми, Архангельской области, Средней полосы России) проведен сравнительный анализ заболеваний рыб, обитающих в озерных и речных системах, испытывающих различную степень антропогенной нагрузки, в основе которого видовая принадлежность рыб, тип и продолжительность воздействия антропогенного фактора. Выявлена стереотипность и ограниченность спектра ответных реакций рыб, развивающихся независимо от этиологии и локализации. Показано, что морфофункциональные изменения в организме рыб являются следствием комплекса реакций, каскад которых запускается на молекулярно-клеточном уровне. Получены новые данные по развитию заболеваний у рыб под воздействием различного типа загрязнения, показано, что в их основе – молекулярные патологии, развивающиеся в условиях окислительного стресса. Выявлены особенности распределения стойких органических загрязняющих веществ в донных отложениях, воде и тканях, доказано, что их накопление может рассматриваться в качестве фактора риска при появлении патологических и компенсаторноприспособительных процессов. Предложена классификация ответных реакций в организме рыб, обитающих в условиях загрязнения. Показано, что использование комплексного подхода, основанного на единстве организма и среды, повышает результативность ихтиопатологических исследований и возможности биологических маркеров для биоиндикации качества природных водоемов. Впервые представлен атлас патологий рыб различной видовой принадлежности в водных объектах Палеарктики, испытывающих техногенное воздействие различного типа.

Практическая значимость. Полученные результаты могут найти широкое применение при решении многих практических задач и быть использованы в диагностических и прогностических целях. В частности в практической ихтиологии при прогнозировании возможных уловов, в аквакультуре при оценке физиологического состояния рыб, а также в качестве биологических маркеров в комплексной системе биоиндикации состояния окружающей среды.

Практическую реализацию полученных результатов осуществляли через научноисследовательские работы, посвященные а) оценке воздействия и ущерба, нанесенных промышленными предприятиями водоемам Кольского п-ова, Республики Карелии, Республики Коми, Архангельской области, Средней России; б) оценке последствий разливов нефти на ихтиофауну через 15 лет после крупномасштабной аварии на нефтепроводе в Республике Коми;

в) модификации метода расчета ущерба водным биологическим ресурсам при проведении буровзрывных работ.

Положения, выносимые на защиту:

патогенетических механизмов выступает внутриклеточный уровень, молекулярные изменения обуславливают реакции клеток и тканей, которые складываются в клиникоанатомическую картину заболевания.

2. Накопление полициклических ароматических углеводородов, полихлорированных бифенилов, хлорорганических пестицидов в донных отложениях, воде и тканях является фактором риска при появлении типовых и специфических ответных реакций в организме Все патологические и компенсаторно-приспособительные ответные реакции в организме рыб протекают по стереотипной неспецифической схеме не зависимой от характера патогенного воздействия и локализации, включаясь в качестве патогенетического звена в заболевания. Суть стереотипных реакций заключается не в идентификации патогенного фактора, а в способности адаптироваться к изменениям в окружающей среде, выжить и обеспечить присущий организму характер функционирования.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на многочисленных международных, всесоюзных и российских совещаниях. Основные из них:

Coregonid International Symposium on the Biology and Management of Coregonid Fishes (Rovaniemi, Finland, 2002); XXVI Международная конференция «Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера» (Сыктывкар, 2003); Международная научнопрактическая конференция: Проблемы сохранения и использования биологических ресурсов (Минск, Белоруссия, 2004); Международная конференция «Экологические проблемы северных регионов и пути их решения» (Апатиты, 2004); The 7 International Symposium on Cold Region Development. (Sapporo, Japan, 2004); Coregonid International Symposium on the Biology and Management of Coregonid Fishes (Olsztyn. Poland, 2005); Ist European Congress of Conservation Biology (Eger, Hungary, 2006); Seminar on the ConocoPhillips Arctic Environmental Program (Tromso, Norway, 2006); Международная конференция «Проблемы иммунологии, патологии, охраны здоровья рыб и других гидробионтов» (Борок, 2007); XII European Congress of Ichthyology (Cavtad, Croatia, 2007); III International Conference Arctic frontiers «Challenges for oil and gas development in the Arctic» (Tromso, Norway, 2008); Четвертая Международная конференция «Газ и нефть Арктического шельфа» (Мурманск, 2008); Международная конференция «Эко-Печора» (НарьянМар, 2008); Aquatic Animal Health. III Bilateral Conference (Shewperdstown, West Virginia, USA, 2009); «Diseases of Fish and Shellfish» 14th EAFP International Conference (Prague, 2009); Water Quality International conference (Hangzhou, China, 2012); Международная российско-норвежская конференция «Исследования и освоение углеводородных ресурсов прибрежных регионов»

(Архангельск, 2013); IX Северный социально-экологический конгресс с международным участием (Архангельск, 2013); Восьмая научно-производственная конференция «Биология, биотехника разведения и состояние запасов сиговых видов рыб» (Тюмень, 2013).

Личный вклад автора. Автором обоснована тема, определены цель и задачи, осуществлены полевые исследования и сбор материала, выполнены патолого-морфологические и гистологические исследования (изготовление гистологических препаратов, диагностика, микрофотосъемка), обработка, обобщение и интерпретация результатов, сформулированы защищаемые положения и выводы.

Публикации. Результаты исследований отражены более чем в 50 публикациях, в том числе в 5 коллективных монографиях, в 16 статьях реферируемых отечественных и зарубежных журналов из списка ВАК, а также научных статьях в сборниках, препринтах и тезисах докладов на международных и всероссийских конференциях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, содержит 40 таблиц, 43 рисунка, приложение (188 микрофотографий). Список литературы включает 605 источников, в том числе 278 отечественных и 327 зарубежных. Общий объем работы – 306 страниц.

Благодарности. Выражаю особую признательность за научные консультации и методологическую помощь, которую оказали член-корреспондент РАН, профессор Т.И. Моисеенко, д.б.н., профессор Ю.С. Решетников, д.б.н. Р.У. Высоцкая, д.б.н. Н.В. Ильмаст Благодарю всех сотрудников Института водных проблем Севера КарНЦ РАН за внимание, поддержку и практическую помощь, а также всех друзей и коллег по работе, с надеждой на продолжение совместных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Физико-географические особенности районов исследования, характеристика качества вод и антропогенная нагрузка на водные экосистемы Приводятся особенности гидрохимического режима, трофического статуса, техногенной нагрузки на исследованные водные объекты. Показано многоцелевое использование и определены приоритетные загрязняющие вещества в комплексе антропогенных факторов для каждого водного объекта: оз. Имандра – тяжелые металлы и сульфаты; бассейн р. Печоры – нефть и ее производные, хлорорганические соединения, алюминий, тяжелые металлы; Выгозерское водохранилище – стоки Сегежского ЦБК, содержащие взвешенные вещества, лигнин, сульфаты, хлориды, фосфаты, нитраты, нитриты, фенолы, анионные поверхностно-активные вещества, органических сернистые соединения, сероводород, метанол. В последние годы возросло значение Выгозерского водохранилища, как транспортной артерии, что привело к увеличению судоходства и, как следствие, попаданию нефтепродуктов в водоем; р. Лососинка – нефтепродукты и тяжелые металлы, превышающие установленные рыбохозяйственные ПДК; р. Орзега – фосфаты, нитраты, тяжелые металлы; оз. Холмовское – эвтрофирование, цианотоксины, ХОП и ПХБ, превышение ПДК по железу, марганцу, гексахлорбензолу; р. Кета-Ирбэ – тяжелые металлы, сульфаты, фенолы;

р. Волга – производные нефтепродуктов, СПАВ, пестициды, тяжелые металлы. В качестве фоновых водных объектов выбраны р. Кара, не подверженная антропогенному воздействию, и Онежское озеро – водоем, который испытывает локальную техногенную нагрузку, но в целом оцениваемый как чистый и сохраняющий природное качество вод. Более подробно дано описание содержания загрязняющих веществ в бассейне р. Печоры и оз. Холмовском, для которых были проведены исследования по содержанию ПАУ, ПХБ, нефтепродуктов, тяжелых металлов, цианотоксинов.

Решение поставленных задач основано на многолетних исследованиях (2000-2010 гг.), география которых охватывает европейско-сибирскую область Палеарктики (озера Имандра, Холмовское, Онежское озеро и его притоки, реки Кара, Северная Двина, Печора, Волга, Кета-Ирбэ – Норило-Пясинская озерно-речная система) (рис. 1). В качестве тест-объектов выбраны виды рыб, не принадлежащие к одной систематической группе, но преобладающие в исследованных водных объектах: сиг (Coregonus lavaretus L.), язь (Leuciscus idus L.), пресноводная речная форма кумжи – форель (Salmo trutta), усатый голец (Barbatula barbatula L.) и подкаменщик обыкновенный (Cottus gobio L.).

Рис. 1. Карта расположения исследованных водных объектов монофиламента, стандартной длины – 25 м, высотой – 1,5 м и размером ячеи: 10, 12,5, 16, 22, 25, 30, 35, 38 и 45 мм, что обеспечивает вылов рыбы длиной от 5 см и более. В реках Орзега, Лососинка и Кара использовали электролов. Для оценки техногенной нагрузки в бассейне р.

Печоры определяли валовое содержание нефтепродуктов, приоритетных ПАУ и ПХБ в воде и донных отложениях. В оз. Холмовском - содержание ПХБ в донных отложениях и токсинов цианобактерий в воде.

Анализ содержание СОЗ и ПАУ в тканях рыб. Определение качественного состава и содержания ХОП, ПХБ и ПАУ в рыбе проводилось методом хромато-масс-спектрометрии (Шелепчиков и др., 2008).

Биохимические методы исследования. Содержание продуктов перекисного окисления липидов определяли в цельном гомогенате по цветной реакции с 2-тиобарбитуровой кислотой (Владимиров, Арчаков, 1972). Активность супероксиддисмутазы определяли в супернатанте с нитросиним тетразолием и феназинметасульфатом в присутствии восстановленной формы никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) по методу (Чевари и др., 1985). Определение биохимических показателей проводилось на спектрофотометре СФ 26 (ЛОМО, Санкт-Петербург).

Липиды экстрагировали по методу Фолча (Folch et al., 1957) смесью растворителей газожидкостной хроматографии (Цыганов, 1971). Идентификацию жирных кислот проводили путем расчета эквивалента длины цепи (ЭДЦ) и сравнением его с табличными данными (Jamieson, 1975). Относительное содержание жирных кислот оценивали по методу Бартлета и Иверсона (Bartlet, Iverson, 1966).

Гистологические методы исследования. Для оценки морфофункционального состояния жабр, печени и почек использовали классические гистологические методы: гистологические препараты готовились методом заливки органов и тканей в парафин, с последующим изготовлением парафиновых блоков и гистологических срезов с использованием санного микротома (Роскин, Левинсон, 1957; Волкова, Елецкий, 1982). Диагностика осуществлялась в соответствии с критериями, предложенными рядом авторов (Матей, 1996; Fish pathology, 1978; Hinton, Lauren, 1990;

Couch, 1993; Cormier et al., 1995; Boorman et al., 1997; Bernet et al., 1999; Lang et al., 2006; Wolf, Wolfe, 2005; Bruno et al., 2006; Nero et al., 2006).

Статистические методы исследования. Статистическую обработку полученных результатов проводили общепринятыми методами, оценивая достоверность различий по t критерию Стьюдента, непараметрическому U-критерию Вилкоксона-Манна-Уитни (Коросов, Горбач, 2007; Ивантер, Коросов, 2010). C целью выявления зависимости между исследуемыми параметрами рассчитывали коэффициент корреляции Спирмена. Различия и корреляционную связь считали достоверной при