Особливості впливу низьких концентрацій іонів важких металів на вміст р-каротину в організмі Lymnaea Stagnalis

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особливості впливу низьких концентрацій іонів важких металів на вміст р-каротину в організмі Lymnaea Stagnalis

Г.Є. Киричук, д. б. н., проф., Житомирський державний університет імені Івана Франка

Л.В. Музика, к. б. н., доцент Житомирський державний університет імені Івана Франка

М.М. Микула, к. мед. н., доц.,

Національний медичний університет імені О.О. Богомольця

Анотація

Досліджено вплив іонів кадмію (Cd²⁺, 0,01 мг/дм ³), цинку (Zn²⁺, 0,02 мг/дм ³), куп- руму (Cu²⁺, 0,002 мг/дм ³), плюмбуму (Pb²⁺, 0,02 мг/дм ³), хрому (Cr³⁺, 0,01 мг/дм ³), мангану (Mn²⁺, 0,02 мг/дм ³) та нікелю (Ni²⁺, 0,02 мг/дм ³) на вміст ft-каротину в гемолімфі, гепатопанкреасі, мантії та нозі Lymnaea stagnalis. Встановлено вміст обговорюваного каротиноїду в тканинах (органах) молюсків за різної експозиції (2, 7, 14 та 21 доба) тварин у токсичному середовищі. Показано, що зміни показників характеризуються нелінійною динамікою, що пов'язано із природою та специфічністю дії досліджуваних іонів, тривалістю експозиції тварин в токсичних розчинах та метаболічними особливостями органів та тканин молюсків.

Встановлено, що дія іонів Cr³⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ та Cd²⁺ протягом 2 діб призводить до збільшення вмісту ft-каротину у гемолімфі L. stagnalis, що вказує на розвиток миттєвої, спрямованої на підтримку гомеостазу, відповіді цих тварин на токсичну дію. У гепатопанкреасі, мантії та нозі L. stagnalis іони хрому (експозиція 2 доби) обумовлювали збільшення показників в 1,43--2,05 раза (p<0,05--0,001), а динаміка вмісту ft-каротину за інкубації молюсків у розчинах усіх інших досліджених нами іонів була органоспецифічною.

Виявлено, що при пролонгуванні впливу Mn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, ЄГ-та Zn²⁺ до 14 діб посилюється їх інгібуючий вплив на метаболізм L. stagnalis, що проявляється зменшенням вмісту ft-каротину у всьому їх тілі на 12,20--66,91 % (виняток - гемолімфа тварин, у якій зафіксовано суттєве зростання показників за дії Cr3⁺ (в 3,22 раза (p < 0,001) та нога, у якій відмічено рівень контролю за дії іонів нікелю).

Проведений ієрархічний кластерний аналіз, який дозволив виявити закономірності впливу іонів ВМ (експозиція 2, 7, 14 та 21 доба) на вміст ft-каротину у гемолімфі, гепатопанкреасі, мантії та нозі L. stagnalis.

Ключові слова: ft-каротин, важкі метали, антиоксидантна активність, окислювальний стрес, метаболічна адаптація, прісноводні молюски.

PECULIARITIES OF LOW CONCENTRATIONS OF HEAVY METAL IONS EFFECTS ON THE P-CAROTENE CONTENT IN THE BODY OF LYMNAEA STAGNALIS

The article investigates the influence of heavy metal ions cadmium (Cd²⁺, 0.01 mg/L), zinc (Zn²⁺, 0.02 mg/L), copper (Cu²⁺, 0.002 mg/L), plumbum (Pb²⁺, 0.02 mg/L), chrome (Cr³⁺, 0.01 mg/L), manganese (Mn²⁺, 0.02 mg/L), nickel (Ni²⁺, 0.02 mg/L) on the P-carotene content in the hemolymph, hepatopancreas, mantle and foot of Lymnaea stagnalis. It determines the content of the analyzed carotenoid in mollusks' tissues (organs) subjected to different exposures (2-, 7-, 14- and21-day) in a toxic environment. It proves that the changes in indicators are described by non-linear dynamics, which is related to the nature and specificity of the ions' effects, the exposure time of the animals in toxic solutions, and the metabolic features of organs and tissues of the mollusks.

The research has proven that the two-day exposure of Cr³⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ and Cd²⁺ions leads to an increase in the P-carotene content in the L. stagnalis hemolymph, which indicates the development of an immediate response of the animals to the toxic effects aimed at maintaining homeostasis. In the hepatopancreas, mantle, and foot of L. stagnalis, chromium ions (regardless of the degree of oxidation) (two-day exposure) caused a 1.43--2.05-fold increase in indicators (p < 0.05--0.001), and the dynamics of P-carotene content during mollusks' incubation in the solutions of all studied ions is organ-specific.

The study ascertains that the prolonged fourteen-day exposure to Mn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Cr³⁺ and Zn²⁺ increases their inhibitory effect on the L. stagnalis metabolism, which is manifested by a decrease in the P-carotene content throughout their body by 12.20-- 66.91% (the exception is the hemolymph of the animals, in which a significant increase in indicators due to the effects of Cr(III) has been established (by 3.22 times (p <0.001)) and the foot, in which the control level for the effects of nickel ions has been indicated). The article carries out a hierarchical cluster analysis, which provides a possibility to reveal the patterns of HM ions influence (exposures 2-, 7-, 14- and 21-day) on P-carotene content in the hemolymph, hepatopancreas, mantle and foot of L. stagnalis.

Key words:fi-carotene, heavy metals, antioxidant activity, oxidative stress, metabolic adaptation, freshwater mollusks.

В результаті антропогенної діяльності серйозною екологічною проблемою на сьогодні є забруднення природних вод хімічними сполуками, що призводить до формування якісно нових умов середовища існування гідробіонтів та впливає на існування не лише окремих видів, популяцій, але і екосистеми загалом. Серед екотоксикантів пріоритетною групою є важкі метали (ВМ), які характеризуються хімічною стійкістю, мають високу біоакумулятивну здатність, можуть мігрувати ланцюгами живлення та накопичуватись на всіх його рівнях [3, 7, 15, 16, 18, 25]. Іони ВМ є незамінними для життєдіяльності водних тварин, відіграючи важливу роль в метаболічних процесах, будучи компонентами ферментів та білків, однак за більш високих їх концентрацій стають токсичними та викликають порушення на різних рівнях організації живої матерії [3, 12].

Однією з причин токсичної дії іонів ВМ на організм гідробіонтів є індукований ними окислювальний стрес, який виникає внаслідок утворення активних форм кисню (АФК), котрі є проміжними продуктами неповного відновлення кисню в дихальному ланцюзі. АФК мають високу хімічну активність, здатні ініціювати швидкі ланцюгові реакції окислення субстратів з утворенням продуктів їх модифікації, що призводить до дисбалансу окисно-відновного стану клітини, пошкодження основних молекул та надмолекулярних клітинних структур, а також розвитку різних патологічних процесів [14, 16, 23].

Відомо, що одним із критеріїв оцінки токсичності навколишнього середовища (особливо окислювального пошкодження, викликаного хімічними агентами) є баланс між прооксидантними ендогенними й екзогенними чинниками та антиоксидантною системою організму [14, 17,24].

Одним з елементів неферментативної антиоксидантної системи гідробіонтів є каротиноїдні пігменти, які здатні нейтралізувати вільні радикали й синглетний кисень та виступати ефективними антиоксидантами, попереджуючи окислювальне пошкодження клітини [8,10,16,26]. Окрім цього, каротиноїдні пігменти підвищують ефективність імунної реакції безхребетних тварин та стимулюють компоненти їх вродженого імунітету [21]. У зв'язку з цим, каротиноїди є одним із чинників, що підвищує токсикорезистентність водних організмів, забезпечує їх біохімічну адаптацію до змінюваних чинників водного середовища, а також є одним з критеріїв оцінки екотоксикологічного стану та металічного забруднення гідроценозів [6].

Зважаючи на все зазначене, актуальним є дослідження впливу іонів ВМ на вміст --каротину в організмі прісноводних молюсків, які, завдяки ряду особливостей, є унікальною моделлю для дослідження механізмів порушень гомеостазу, викликаних токсичними агентами. Нами встановлено, що іони Cd²⁺ (0,5 та 2 ГДК) викликають дозо- та часозалежні зміни вмісту --каротину в організмі Lymnaea stagnalis, що виступає адаптивною відповіддю тварини, спрямованою на підтримку її функціонування за токсичної дії [3]. У зв'язку з цим, виникла необхідність проведення комплексного дослідження, яке б дозволило змоделювати вплив найбільш поширених іонів ВМ гідроценозів Житомирського Полісся на вміст обговорюваного каротиноїду в тканинах і органах L. stagnalis.

Попередніми нашими дослідженнями встановлено, що вплив допо- рогової концентрації (0,5 ГДК) іонів ВМ на вміст -каротину в організмі L. stagnalis є багатовекторним і має регуляторно-токсичний принцип дії [13], що обумовило доцільність вивчення динаміки вмісту обговорюваного каротиноїду в тканинах і органах цих молюсків при збільшенні концентрації токсикантів.

Матеріал і методика досліджень

Матеріал: 640 екз. Lymnaea stagnalis (Linnaeus, 1758), зібраних у вересні - листопаді. Тварин очищували від обростань і донних відкладів і піддавали аклімації протягом 14 діб. Для дослідження відібрано одноти- пових неінвазованих особин зі стандартними розмірно-ваговими характеристиками (m = 5,18±1,22 г; l = 44,8±3,26 мм; h = 25,91±3,46 мм). Розмірно-вагові характеристики визначали штангенциркулем та електронними вагами (WPS 1200) з точністю до 0,01 г.

Для уникнення взаємовпливу катіону та аніону в якості токсикантів використано СиСІ2-2Н 2О, РЬСІ2, CdCl2-2,5H2O, ZnCL, MnCl2-4H2O, NiCl2-6H2O та Cr(CH3COO)3 з маркуванням "чда". Розрахунок концентрацій токсикантів проведено на катіон. В основному токсикологічному експерименті використано концентрації іонів кадмію (Cd²⁺, 0,01 мг/дм ³), цинку (Zn²⁺, 0,02 мг/дм ³), купруму (Cu²⁺, 0,002 мг/дм ³), плюмбуму (РЬ ²⁺, 0,02 мг/дм ³), хрому (Cr³⁺, 0,01 мг/дм ³), мангану (Mn²⁺, 0,02 мг/дм ³) та нікелю (Ni²⁺, 0,02 мг/дм ³), які відповідали 2 ГДКрибогосп. [2]. Експозиція - 2, 7,14 та 21 доба. Розчини готували на дехлорованій воді (рН = 7,2--7,5; T = 18--20 °С; вміст кисню 8,5--8,9 мг/дм ³). Зміну токсичного середовища для видалення метаболітів тварин і підтримки постійної концентрації токсикантів проводили через кожні 24 год. Інкубаційним середовищем для контрольної групи молюсків слугувала водопровідна дехлорована вода без додавання токсиканту.

В експерименті використано гепатопанкреас, мантію та ногу, яку отримували, анатомуючи тварин, а також гемолімфу, отриману методом прямого знекровлення. Органи гомогенізували і проводили екстракцію гексаном (1:4). Сумарний вміст відновленого - каротину визначали за методикою [22]. Всього виконано 2560 біохімічних аналізи.

Статистичну обробку результатів дослідження проводили загальноприйнятими статистичними методами із застосуванням t-критерію Ст'юдента. Розбіжності вважали статистично вірогідними при p<0,05--0,001.

Кластерный аналіз проведено методом деревоподібної кластеризації (ієрархічна кластеризація, tree clustering) з використанням пакету програми Statistica 10 [5].

У процесі виконання експерименту норми біоетики порушені не були.

Результати досліджень та їх обговорення

Відомо, що іони ВМ, які є невід'ємними компонентами гідроекосистем, характеризуються різною хімічною активністю, відрізняються рівнем проникності в клітини поверхневих та внутрішніх органів та ступенем накопичення в тканинах, у зв'язку з чим можуть відігравати подвійну роль, викликаючи окислювальне пошкодження клітинних компонентів гідробіонтів, або ж виступаючи важливим вторинним мессенджером для активації їх системи захисту [1, 4, 16,19].

Відомо, що компенсаторно-адаптивна відповідь водних організмів на дію токсикантів визначається швидкістю і механізмом надходження металу в організм, ступенем його накопичення в метаболічно активних структурах, а також залежить від фізико-хімічних властивостей та фізіологічної ролі металу в організмі [1].

Досліджувані нами іони ВМ відрізняються рядом вище наведених ознак, у зв'язку з чим є неоднаково токсичними для L. stagnalis та викликають різного ступеня розвиток патологічних та компенсаційних змін у вигляді модифікацій кількісного вмісту --каротину в їх тканинах і органах.

В результаті проведених досліджень встановлено, що вміст Р-каротинув організмі L. stagnalis за дії Cd²⁺, Zn²⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺ (2 ГДК) характеризується досить нелінійною динамікою, пов'язаною із природою та специфічністю дії досліджуваних іонів, тривалістю експозиції тварин в токсичних розчинах (2, 7, 14, 21 доба) та метаболічними особливостями досліджуваних органів та тканин (рис. 1).

З'ясовано, що 48-годинна експозиція L. stagnalis у токсичних розчинах майже всіх досліджених нами іонів призвела до збільшення вмісту Р-каротину у їх гемолімфі, що, імовірно, вказує на розвиток миттєвої відповіді тварин на токсичну дію та модуляцію наявних в біосистемі ресурсів, що є необхідним для життєзабезпечення та підтримання їх стійкості [1].

Таке збільшення показників також пояснюється здатністю каротиноїдів гемолімфи депонувати кисень, що впливає на інтенсивність вільнорадикального окислення, викликаного досліджуваними іонами.

Значне відхилення від контролю (на 81,48 %) (р<0,01) зафіксовано за дії іонів Cr³⁺. Хром, як відомо, є біофільним мікроелементом та проявляє біологічну роль в екосистемах залежно від ступеня окислення. У природних умовах найбільш стійким є йон Cr³⁺, який чинить генотоксичну дію та може викликати окислювальне пошкодження клітини різними молекулярними механізмами. Тому, таке збільшення Р-каротину за дії Cr³⁺ може свідчити про активізацію захисних сил організму молюсків у від повідь на токсичний вплив, адже посилення прооксидантних процесів індукує ферментативну антиоксидантну активність та викликає підвищення рівня неферментативних антиоксидантів в клітині [8].

Рис. 1. Вплив іонів важких металів (2 ГДК) на вміст 0-каротину (M+m_x, n = 10) в організмі L. stagnalis (експозиція 2 доби): а - гемолімфа; б - гепатопанкреас; в - мантія; г - нога. Тут і на рис. 2--4: по осі абсцис - використані в дослідженні іони, по осі ординат - вміст 0-каротину (мг/г сирої тканини); * - р<0,05; ** - р<0,01;*** - р<0,001.

Збільшення показників вмісту --каротину у гемолімфі відмічено за дії іонів Cu²⁺ (на 11,11 %), С-⁺(на 16,48 %), Ni²⁺ (на 33,33 %) та Mn²⁺ (на 81,48 %). Водночас, іони Zn²⁺ обумовлюють зменшення вмісту --каротину (на 62,6 %) (р<0,05), що пояснюється, ймовірно, їх участю в метаболізмі ретинолу в організмі гідробіонтів. Окрім цього, цинк має антиоксидантні властивості та входить до складу ключового антиоксидантного ензиму супероксиддисмутази (СОД), у зв'язку з чим рівень ПОЛ, очевидно, у дослідній групі є нижчим порівняно з контрольною. Саме тому, за дії іонів Zn²⁺ не виникає необхідності у вилученні --каротину з депо та надходження його в тканину для забезпечення АО захисту.

Іони плюмбуму не призводили до змін кількісного вмісту --каротину в гемолімфі L. stagnalis, адже цей ВМ є типовим токсикантом та не бере участі у фізіологічних і метаболічних процесах, у зв'язку з чим досліджена його концентрація ще не сприймається як діюча та не викликає відISSN 0375-8990. Гідробіологічний журнал. 2024. 60(2) 83 повідної реакції досліджуваної тканини. Щодо органів L. stagnalis, то зафіксовано багатовекторний вплив іонів досліджених металів на вміст в них Р-каротину.

Встановлено, що іони Cr³⁺ обумовлювали збільшення обговорюваних показників на 45,73 % (p<0,01) у гепатопанкреасі, на 44,74 % (p<0,05) у мантії та в 2,09 раза (p<0,001) у нозі досліджуваних молюсків. Іон Cr³⁺ є сильним окиснювачем та, як відомо, попадаючи в клітини, може зв'язуватись з лігандами або ж брати участь у окисно-відновних процесах, викликаючи окислення ліпідів, білків, ДНК чи викликати виснаження глутатіону [14]. У зв'язку з цим, збільшується вміст Р-каротину, який зміцнює імунітет тварини та допомагає ендогенним ферментам детоксикувати вільні радикали, що утворюються під час імунної активності, що і підтверджується нашими дослідженнями.

За умови інтоксикації усіма іншими іонами вміст Р-каротину був досить органоспецифічним. Зокрема, дія іонів 2п ²⁺та Cd²⁺ викликала збільшення показників у гепатопанкреасі та нозі (на 18,5--46,58 %), однак у мантії досліджуваних тварин іони 2п ²⁺обумовлювали зменшення вмісту каротиноїду на 34,81 % (p<0,05), а іони Cd²⁺ на даний показник не впливали.

Дводобова дія Ni²⁺ та Мп ²⁺ викликала зменшення вмісту Р-каротину на 37,9--40,83% (p<0,05) у гепатопанкреасі, його збільшення на 23,24-- 37,5 % у мантії, а для ноги не встановлено статистично достовірних відмінностей. Така ж нелінійна органоспецифічна динаміка зафіксована і за дії іонів Pb²⁺, які викликали зменшення показників (на 25,36 %) у мантії, їх збільшення (на 13,22%) у нозі, а у гепатопанкреасі не проявляли змін щодо вмісту Р-каротину. За дії іонів купруму вміст Р-каротину зменшувався на 15,47 % у мантії. Разом з тим, для гепатопанкреасу та ноги не зафіксовано статистично достовірних відмінностей, що пов'язано, імовірно, із участю даного елементу в синтезі кисеньтранспортного білка L. stagnalis гемоціаніну.

При збільшенні експозиції токсикологічного досліду до 7 діб за дії Ni²⁺, Cd²⁺ та Cr³⁺ зафіксовано стимуляцію обмінних процесів в організмі L. stagnalis, що проявилося збільшенням вмісту Р-каротину у гемолімфі тварин на 14,5--35,4 %. (рис. 2).

Така динаміка може свідчити про активацію загальної антиоксидантної активності організму молюсків, яка, імовірно, має компенсаторний характер і виникає у відповідь на токсичну дію.

Водночас, дія іонів Мп ²⁺ та Zn²⁺ обумовила зниження досліджуваних показників (на 13,5--29,0 %) (p<0,05), а перебування в середовищі з іонами плюмбуму чи купруму не викликало статистично достовірних відмінностей у досліджуваній тканині.

У гепатопанкреасі молюсків зі збільшенням експозиції до 7 діб за дії іонів Cr³⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ та Ni²⁺ відмічається збільшення вмісту Р-каротину в 1,2--2,2 раза. При цьому найбільш значне відхилення від контролю зафіксовано за дії іонів цинку (в 2,2 раза (p<0,01), який, потрапляючи до організму гідробіонтів у надлишку зумовлює місцеві пошкодження їх покривів тіла та порожнини легені, що призводить до ускладнення шкірного та легеневого дихання та порушення окисно-відновних процесів в клітині. У відповідь на гіпоксію відбувається вилучення кисню, депонованого за рахунок спряжених подвійних зв'язків в молекулі каротиноїду, в результаті чого обговорювані сполуки набувають природного забарвлення та фіксуються у видимій області спектра. Окрім цього, доведено прооксидантні властивості недепонованої форми цинку [11, 18], що також обумовлює потребу органу в антиоксидантному захисті від ПОЛ.

Рис. 2. Вплив іонів важких металів (2 ГДК) на вміст 0-каротину (M+m_x, n = 10) в організмі L. stagnalis (експозиція 7 діб): а - гемолімфа; б --гепатопанкреас; в - мантія; г - нога

Щодо іонів купруму, мангану та плюмбуму, то збільшення тривалості експозиції до 7 діб посилило їх інгібуючий ефект на вміст --каротину в гепатопапанкреасі досліджуваних молюсків, що проявилось зниженням обговорюваних показників на 21,3--38,4 % (р<0,05).

У мантії L. stagnalis відзначено збільшення вмісту --каротину за дії Cd²⁺ (на 49,7 %), зниження показників на 20,4--46,2 % за дії Pb²⁺, Mn²⁺, Cu²⁺ та відсутність статистично достовірних відмінностей вмісту --каротину при інкубуванні молюсків у розчинах з іонами Cr³⁺, №²⁺та Zn²⁺. Щодо ноги, то тижнева експозиція тварин у розчинах з іонами цинку та кадмію викликала збільшення вмісту --каротину в даному органі відповідно в 2,01 раза (p<0,01) та на 68,0 %. Зниження показників на 38,0 % (p <0,05) обумовлювала дія Mn²⁺, а за дії Cr³⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Pb²⁺ показники вмісту --каротину у контрольної та дослідної груп знаходились в одному діапазоні значень. Збільшення часу перебування молюсків до 14 діб посилило токсичну дію переважної більшості досліджуваних іонів та викликало порушення функціонально-метаболічного гомеостазу L. stagnalis, що проявилось зменшенням вмісту --каротину в усіх досліджених органах (рис. 3).

Відмічено зниження показників незалежно від дослідженого органу на 12,20--66,91 % за дії Mn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Zn²⁺ та Cr³⁺, що, імовірно, вказує на тимчасовий характер адаптації L. stagnalis до дії досліджуваних іонів та зміною фази стимуляції обмінних процесів фазою виснаження внаслідок порушення адаптаційних механізмів.

Виняток із загальної тенденції склала гемолімфа, у якій зафіксовано суттєве зростання показників за дії Cr³⁺ (в 3,22 раза (p<0,001) та нога тварин, у якій не встановлено статистично достовірних відмінностей між контрольною групою та молюсками, підданих дії іонів нікелю.

Щодо іонів плюмбуму, то зафіксовано нелінійну органоспецифічну динаміку: показники зменшувались (на 26,79 та 33,17 %) у мантії та нозі, збільшувались на 12,80 % у гепатопанкреасі, а у гемолімфі знаходились на рівні контрольної групи тварин.

Рис. 3. Вплив іонів важких металів (2 ГДК) на вміст Р-каротину (M+m_x, n = 10) в організмі L. stagnalis (експозиція 14 діб): а - гемолімфа; б - гепатопанкреас; в - мантія; г - нога

Збільшення часу експозиції з іонами Zn²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Mn²⁺ та Pb²⁺ до 21 доби викликало однотипову реакцію L. stagnalis у вигляді зниження кількісних показників вмісту --каротину у їх гемолімфі (на 18,03--62,7 %), мантії (12,5--63,2 %), гепатопанкреасі (на 19,8--65,2 %) та нозі (на 10,3-- 65,2 %) (рис. 4).

При цьому зазначений ефект (у порядку збільшення відсоткового відхилення від контролю) вибудовує такі ряди:

Гемолімфа: Pb²⁺< Mn²⁺< Cd²⁺<Ni²⁺<Zn²⁺.

Мантія: Zn²⁺< Cd²⁺< Pb²⁺< Ni²⁺< Mn²⁺.

Гепатопанкреас: Pb²⁺< Mn²⁺< Ni²⁺.

Нога: Cd²⁺<Pb²⁺< Zn²⁺<Mn²⁺< Ni²⁺.

Такий ефект зумовлений, очевидно, інгібуючою дією іонів ВМ на метаболічні процеси в організмі молюсків, порушенням механізму транспорту --каротину в клітини внаслідок деструктивного впливу їхніх іонів на мембрани, а також активацією депресивної фази патологічного процесу, зумовленого отруєнням тварин.

Виняток із загальної тенденції склав гепатопанкреас, у якому зафіксовано незначне збільшення вмісту --каротину (на 20,8 %) за дії іонів Zn²⁺ та не встановлено статистично достовірних відмінностей від контролю при перебуванні досліджуваних молюсків у середовищі, затруєному іонами Cd²⁺.

Рис. 4. Вплив іонів важких металів (2 ГДК) на вміст 0-каротину (M+m_x, n = 10) в організмі L. stagnalis (експозиція 21 доба): а - гемолімфа; б - гепатопанкреас; в - мантія; г - нога

Рис. 5. Дендрограма подібності впливу іонів важких металів (2 ГДК) на вміст 0-каротину в організмі L. stagnalis: а - гемолімфа; б - гепатопанкреас; в - мантія; г - нога (експозиція 2 доби)

Поряд з цим, дія Cr³⁺ вказаної концентрації не призвела до статистично достовірних змін вмісту -каротину в гемолімфі та мантії та обумовила підвищення показників на 18,24--53,62 % у гепатопанкреасі та нозі досліджуваних молюсків. Ймовірно збільшення вмісту каротиноїду у гепатопанкреасі та нозі викликане зміною каротиноїдами просторової конфігурації та переходом їх із зв'язаної з ліпідами та білками форми (шляхом денатурації) у вільну.

Іони купруму викликали зростання показників вмісту --каротину в гемолімфі та гепатопанкреасі (на 13,1--44,47 %), а у мантії та нозі показники контрольної та дослідної груп виявились величинами одного порядку.

Проведений ієрархічний кластерний аналіз дозволив виявити деякі закономірності впливу досліджених іонів ВМ в концентрації 2 ГДКрибогосп. на вміст --каротину в організмі L. stagnalis (експозиція - 2, 7, 14 та 21 доба).

Рис. 6. Дендрограма подібності впливу іонів важких металів (2 ГДК) на вміст 0-каротину в організмі L. stagnalis: а - гемолімфа; б - гепатопанкреас; в - мантія; г - нога (експозиція 7 діб)

Аналіз структур сформованих кластерів показав, що в окремих тканинах (органах) ефект викликаний досліджуваними іонами ВМ (експозиція - 2 доби) є різний (рис. 5).

Для гемолімфи L. stagnalis було виокремлено 2 кластери: 1 - ефект, викликаний усіма дослідженими нами іонами; 2 - контроль. Така динаміка свідчить про те, що дія іонів ВМ в концентрації, що відповідає 2 ГДК, навіть за короткострокової експозиції викликає відповідну реакцію тканини. Для гепатопанкреасу можна відзначити відмежування в окремий кластер токсичного ефекту, викликаного дією іонів Cr³⁺, а у мантії в окремий кластер відділився ефект дії іонів Ni²⁺. Щодо ноги, то за подібністю впливу на вміст --каротину виділено три групи досліджуваних іонів.

При збільшенні тривалості експозиції до 7 діб відмічено іншу картину кластеризації (рис. 6).

Рис. 7. Дендрограма подібності впливу іонів важких металів (2 ГДК) на вміст 0-каротинуворганізміL. stagnalis: а - гемолімфа;б --гепатопанкреас;в - мантія; г - нога (експозиція 14 діб)

Для гемолімфи відмічено відмежування в окремий кластер біохімічного ефекту, викликаного іонами Си ²⁺та Pb²⁺. Всі інші досліджені нами іони не вдалося згрупувати за викликаним ефектом, адже окремі об'єкти мають ознаки індивідуальності, у зв'язку з чим їх можна розглядати як окремі кластери.

Водночас, у гепатопанкреасі визначено три групи іонів: 1 - ефект, викликаний іонами Cu²⁺, Mn²⁺ та Pb²⁺; 2 - ефект дії Ni²⁺, Cr³⁺ та Zn²⁺; 3 - іони Cd²⁺.

Що ж стосується мантії та ноги L. stagnalis, то відмічено виділення в окремий кластер іонів кадмію, які не виконують в організмі молюсків фізіологічних функцій, не залучаються у регуляторні процеси та діють виключно як токсикант.

За експозиції 14 діб аналіз спорідненості впливу досліджуваних іонів на вміст --каротину в гемолімфі L. stagnalis показав відмежування в окрему групу токсичного ефекту, викликаного дією іонів хрому (рис. 7).

Водночас, у гепатопанкреасі тварин виділено три групи досліджуваних іонів. Спорідненими за ступенем впливу в органі виявились іони Cd²⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ та Pb²⁺. В окремий кластер відмежовано токсичний ефект, викликаний іонами нікелю.

Рис. 8. Дендрограма подібності впливу іонів важких металів (2 ГДК) на вміст 0-каротину в організмі L. stagnalis: а - гемолімфа; б - гепатопанкреас; в - мантія; г - нога (експозиція 21 доба)

Для мантії та ноги молюсків відмічено іншу тенденцію: в окремий кластер відділяється контроль, а досліджувані іони формують другу групу.

При збільшенні тривалості експозиції до 21 діб в гемолімфі, гепатопанкреасі та нозі L. stagnalis відмічено відмежування в окремий кластер іонів хрому, який має подвійну дію та здатний проявляти одночасно антиоксидантні та прооксидантні властивості.

Для мантії за результатами аналізу спорідненості впливу на вміст Р-каротину виокремлено два кластери (рис. 8).

За токсичними ефектами визначено спорідненість іонів Cd²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺ та Pb²⁺, а за регуляторними - іонів купруму та хрому.

Висновки

Отже, зміни вмісту Р-каротину в тканинах та органах L. stagnalis є одним з елементів їх компенсаторно-адаптивної відповіді та в певних межах токсичного навантаження і направлені на підтримку гомеостазу цих тварин за дії іонів ВМ. Зміна кількісного вмісту --каротину в організмі L. stagnalis може свідчити про розвиток компенсаторного механізму у відповідь на дію токсикантів з одного боку, а з іншого про можливі патологічні зміни в їх організмі.

Виявлено, що 2-добова експозиція у токсичних розчинах Cr³⁺, Mn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺ та Cd²⁺ призвела до збільшення вмісту --каротину у гемолімфі L. stagnalis, що вказує на розвиток миттєвої відповіді тварин на токсичну дію. Максимальне відхилення від контролю зафіксовано за дії Cr³⁺ та Mn²⁺ (на 81,48 %) (р<0,01), а мінімальне - за дії іонів купруму (на 11,1 %).

У досліджуваних органах дводобова експозиція обумовлювала різноплановий вплив іонів ВМ на вміст в них --каротину. Іони Cr³⁺ обумовлювали збільшення показників в 1,43--2,09 раза (р<0,05--0,001), а дія на молюсків розчинів усіх інших досліджених нами іонів ВМ характеризувалась досить органоспецифічною динамікою вмісту --каротину.

Збільшення тривалості експозиції до 14 діб посилило токсичну дію Mn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, C-+та Zn²⁺ на організм молюсків, що призвело до зниження досліджуваного показника (на 12,20--66,91 %) незалежно від дослідженого органу (виняток - гемолімфа, у якій зафіксовано зростання показників за дії Cr³⁺ та нога тварин, у якій не встановлено статистично достовірних відмінностей між контрольною групою та молюсками, підданих дії іонів нікелю).

Збільшення тривалості дії іонів Zn²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Mn²⁺ та Pb²⁺ до 21 доби викликало однотипову реакцію у L. stagnalis у вигляді зниження кількісних показників вмісту --каротину у гемолімфі (на 18,03 - 67,70%), мантії (12,5--63,2 %) та нозі (на 10,3--65,2 %).

Мінімальними показниками вмісту --каротину незалежно від токсиканту і тривалості його дії на організм характеризується гемолімфа тварин. Максимальні значення варіювали між органами (тканинами) залежно від досліджуваного іону та тривалості експозиції тварин у токсичних розчинах. кадмій молюск хром

Список використаної літератури

1. Грубінко В.В. Адаптивні стратегії токсикорезистентності до металів у гідробіонтів. Наук. зап. Терноп. нац. пед. ун-ту. Сер. Біол. 2017. № 2 (69). С. 129--149.

2. Клименко М.О., Вознюк Н.М., Вербецька К.Ю. Порівняльний аналіз нормативів якості поверхневих вод. Наук. доп. НУБіП. 2012. № 1 (30). URL: http://nd.nubip.edu.ua/2012_1/12kmo.pdf.

3. Музика Л.В., Киричук Г.Є. Особливості дії низьких концентрацій іонів кадмію на вміст Р-каротину в організмі Lymnaea stagnalis. Вісн. Львів. ун-ту. Сер. біологічна. 2015. №70. С. 130--137.

4. Набиванець Б.Й., Сухан В.В., Калабіна Л.В. Аналітична хімія природного середовища. Київ: Либідь, 1996. 304 с.

5. Фетісов В.С. Пакет статистичного аналізу даних STATISTICA : навч. посіб. Ніжин: НДУ ім. М. Гоголя, 2018. 114 с.

6. Barim O., Karatepe M. The effects of pollution on the vitamins A, E, C, P-carotene contents and oxidative stress of the freshwater crayfish, Astacus leptodactylus. Ecotoxicol. Environ. Safety. 2010. Vol. 73, N 2. P. 138--142. doi:10.1016/j.ecoenv.2009.08.002

7. Benzer S., Arslan H., Uzel N. et al. Concentrations of metals in water, sediment and tissues of Cyprinus carpio L., 1758 from Mogan Lake (Turkey). Iranian J. Fisher. Sci. 2013. Vol. 12, N 1. P. 45--55. doi: 20.1001.1.15622916.2013.12.1.5.8

8. Chaabane M., Bejaoui S., Trabelsi W. et al. The potential toxic effects of hexavalent chromium on oxidative stress biomarkers and fatty acids profile in soft tissues of Venus verrucosa. Ecotoxicol. Environ. Safety. 2020. Vol. 196. 110562. doi:10.1016/j.ecoenv.2020.110562

9. Gao Y., Focsan A.L., Kispert L.D. Antioxidant activity in supramolecular carotenoid complexes favored by nonpolar environment and disfavored by hydrogen bonding. Antioxidants. 2020. Vol. 9, N 7. P. 1-21. doi: 10.3390/antiox9070625

10. Galasso C., Corinaldesi C., Sansone C. Carotenoids from marine organisms: Biological functions and industrial applications. Antioxidants. 2017. Vol. 6, N 4. 96. doi: 10.3390/antiox6040096

11. Gnatyshyna L.L., Fal'fushinskaya G.I., Golubev O.P. et al. Role ofmetallothioneins in adaptation of Lymnaea stagnalis (Mollusca: Pulmonata) to environment pollution. Hydrobiol. J. 2011. Vol. 47, N 5. P. 56--66. doi: 10.1615/HydrobJ.v47.i5.50

12. Jijie R., Solcan G., Nicoara M. et al. Antagonistic effects in zebrafish (Danio rerio) behavior and oxidative stress induced by toxic metals and deltamethrin acute exposure. Sci. Total Environ. 2020. Vol. 698. doi: 10.1016/j.scitotenv.2019.134299

13. Kyrychuk G.Y., Muzyka L.V. Peculiarities of the distribution of 0-carotene in the organism of Lymnaea stagnalis under the influence of the ions of heavy metals. Hydrobiol. J. 2016. Vol. 52, N 5. P. 63--72. doi: 10.1615/HydrobJ.v52.i5.70

14. Livingstone D.R. Oxidative stress in aquatic organisms in relation to pollution and aquaculture. Revue de Medecine Veterinaire. 2003. Vol. 154, N 6. P. 427--430.

15. Luoma S.N., Rainbow P.S. Sources and cycles of trace metals. Metal contamination in aquatic environments: science and lateral management. Cambridge : Cambridge University Press, 2008. 66 p.

16. Mahboob S. Environmental pollution of heavy metals as a cause of oxidative stress in fish: a review. Life Sci. J. 2013. Vol. 10. P. 336--347.

17. Nishida Y. The chemical process of oxidative stress by copper (II) and iron (III) ions in several neurodegenerative disorders. Monatshefte fur Chemie-Chemical Monthly. 2011. Vol. 142. P. 375--384. doi:10.1007/s00706-010-0444-8

18. Parat M.O., Richard M.J., Beani J.C., Favier A. Involvement of zinc in intracellular oxidant/antioxidant balance. Biological trace element research. 1997. Vol. 60. P. 187--204. doi:10.1007/bf02784439

19. Pinto E., Sigaud-kutner T.C., Leitao M.A. et al. Heavy metal induced oxidative stress in algae 1. J. Phycol. 2003. Vol. 39, N 6. P. 1008--1018. doi: 10.1111/ j.0022-3646.2003.02-193.x

20. Sevcikova M., Modra H., Slaninova A., Svobodova Z. Metals as a cause of oxidative stress in fish: a review. Veterinarni Medicina. 2011. Vol. 56, N 11. P. 537--546. doi: 10.17221/4272-vetmed

21. Tan K., Zhang H., Lim L.S. et al. Roles of carotenoids in invertebrate immunology. Frontiers in Immunology. 2020. Vol 10. P. 3041. doi:10.3389/fimmu.2019.03041

22. Taylor S.L., Lamden M.P., Tappel A.L. Sensitive fluorometric method for tissue tocopherol analysis. Lipids. 1976. Vol. 11, N 7. P. 530--538. doi: 10.1007/bf02532898. pmid: 948248.

23. Turan F., Eken M., Ozyilmaz G. et al. Heavy metal bioaccumulation, oxidative stress and genotoxicity in African catfish Clarias gariepinus from Orontes river. Ecotoxicology. 2020. Vol. 29, N 9. P. 1522--1537. doi: 10.1007/s10646-020-02253-w

24. Valavanidis A., Vlahogianni T., Dassenakis M., Scoullos M. Molecular biomarkers of oxidative stress in aquatic organisms in relation to toxic environmental pollutants. Ecotoxicol. Environ. Safety. 2006. Vol. 64, N 2. P. 178--189. doi:10.1016/j.ecoenv.2005.03.013

25. Vareda J.P., Valente A.J., Durres L. Assessment of heavy metal pollution from anthropogenic activities and remediation strategies: A review. J. Environ. Management. 2019. Vol. 246. P. 101--118. doi:10.1016/j.jenvman.2019.05.126

26. Young A.J., Lowe G.L. Carotenoids - antioxidant properties. Antioxidants. 2018. Vol. 7, N 2. 28 p. doi: 10.3390/antiox7020028

Размещено на Allbest.ru