Биомаркеры в системе оценки токсического воздействия на гидробионтов и в экологическом мониторинге водных экосистем

15.10.2019, 00:23   |   Новые статьи   |   Автор: ЧУЙКО Григорий Михайлович

УДК 574.21.08

В статье даются определения понятия биомаркер, рассматривается история его введения в практику и использования в водной экотоксикологии. Приводится классификация биомаркеров, анализируется их место и роль в современной системе оценки функционального состояния гидробионтов и экологическом мониторинге водных экосистем. Сравниваются преимущества и недостатки биомаркеров с другими существующими методами анализа окружающей водной среды: физико-химическими, биотестированием и биоиндикацией.

Ключевые слова: биомаркер, водная экотоксикология, гидробионты, мо- ниторинг водных систем, анализ водной среды.

 

Влияние человека на окружающую среду - неизбежный результат его жизнедеятельности, как одного из элементов биосферы. Научно-технический прогресс, продолжающийся рост численности населения на планете и его постоянно возрастающие потребности требуют освоения новых территорий, введения в эксплуатацию все новых и новых минерально-энергетических сырьевых и пищевых ресурсов, создания и активного использования новых химических соединений, материалов и технологий, наращивания промышленного и сельскохозяйственного производства. Все это ведет за собой масштабное поступление в природную среду и вовлечение в глобальную циркуляцию веществ антропогенного происхождения, отсутствующих в естественных условиях или встречающихся в природе в биодоступно-безопасных количествах. Конечным звеном их аккумуляции в окружающей среде служат водные объекты, что вызывает загрязнение и снижение качества поверхностных вод, ухудшение условий обитания гидробионтов, уменьшение адаптивных возможностей и выживаемости отдельных организмов, исчезновение популяций, деградацию сообществ и целых экосистем.

Для минимизации негативных последствий антропогенного воздействия на водные организмы и экосистемы, его диагностики и прогнозирования экологических рисков необходима система комплексной оценки экологического состояния водных объектов, включающих анализ абиотических факторов и эффекты их действия на биоту на разных уровнях биологической организации. До недавнего времени такая система включала три компонента:
1. Инструментально-аналитический (физико-химический) - качественная и количественная оценка факторов воздействия методами физико-химического анализа.
2. Биотестирование - оценка токсичности воды и донных отложений по ответным реакциям (выживаемость, размножение, рост, двигательная активность и т.п.) тест-организмов разных экологических уровней (микроорганизмы, простейшие, одноклеточные водоросли, беспозвоночные, икра, мальки и взрослые рыбы) из лабораторных культур.
3. Биоиндикация D- бнаружение и определение экологического значения антропогенных нагрузок на водный объект на основе определения качественных (видовой состав) и количественных (численность, биомасса, видовое разнообразие) характеристик различных биоценозов гидробионтов [4].
В последнее время в системе экологической оценки в качестве еще одного компонента все большее практическое применение получают биомаркеры [1, 2, 3].

Главное преимущество биомаркеров перед физико-химическими методами анализа - способность выявить биологические последствия действия отдельного взятого фактора или их совокупности, а относительно других биологических методов (биотестирования и биоиндикации) - высокая чувствительность и оперативность ответа, т.е. возможность зарегистрировать происходящие в биологической системе изменения на ранних этапах действия факторов и при их низкой интенсивности. В отношении ксенобиотиков (соединений, имеющих чужеродное для организма происхождение) - это выявление их действия на организм при хронических экспозициях в сублетальных дозах, когда еще другими методами это воздействие зарегистрировать не представляется возможным.

Идея разработки и использования биомаркеров сформировалась в 50-70 годах XX столетия по мере осознания того, что регистрация токсичности только по показателю смертности является недостаточной для правильной оценки влияния антропогенного загрязнения и других неблагоприятных факторов окружающей среды на водные организмы и экосистемы. Кроме того, стало очевидным, что определение качества водной среды только посредством физико-химического анализа содержания и состава загрязняющих веществ не может дать ответ на главный вопрос о ее пригодности для нормального существования гидробионтов и безопасного использования человеком.

Для понимания механизмов действия и выявления влияния токсических веществ и других неблагоприятных факторов на гидробионтов начали использоваться различные физиологические, биохимические, гистологические и морфологические параметры организма. В результате было установлено, что значения многих из этих параметров изменяются при действии широкого ряда токсических веществ и физических факторов, позволяя обнаружить развитие токсического стресса на самых ранних стадиях, когда другими методами определить это еще невозможно. Сами показатели и методы для их определения первоначально были заимствованы, главным образом, из клинической медицины, экологической физиологии и биохимии, ихтиопатологии и ветеринарии и были направлены на то, чтобы оценить функциональное состояние организма. Работы в этом направлении были начаты одновременно во многих развитых странах, включая и бывший СССР.

В нашей стране необходимость развития этого направления водной экотоксикологии была сформулирована Н.С. Строгановым (МГУ) в конце 60-х годов прошлого века. На первой Всесоюзной научной конференции по вопросам водной токсикологии им были обозначены следующие перспективные задачи:
1. Изучение связи токсических веществ с их химической природой (строением) и определение мест (процессов) поражения в организме, с целью прогнозирования на основе этих закономерностей биологических эффектов токсикантов, попадающих в водоем.
2. Выявление изменений (пределы колебаний) в организмах нормальных и патологических, установление критериев нормы и патологии.
3. Разработка диагностики отравления по морфологическим (патологоанатомическим, гистологическим) и биохимическим, химическим показателям [5].

Формулирование и начало использования термина «биомаркер» и связанных с ним основных понятий в гидроэкотоксикологии относится к середине 80-х годов. Одними из первых официально ввели его в практику Национальные научные советы Канады (NRCC, 1985) и США (NRC, 1987), выпустившие соответствующие нормативные документы [9]. В России в водной экотоксикологии этот термин активно используется c 90-х годов. Первоначально среди отечественных исследователей вместо него применялись такие понятия, как «эколого-физиологические реакции», «физиолого-биохимические показатели», «морфофункциональные параметры», «индексы стресса» и др.

В развитых странах за рубежом именно с использованием биомаркеров проводится существенная доля оценки промышленных загрязнений или оценка степени токсичности тех или иных веществ. Большую роль биомаркеры играют и при проведении экологического мониторинга. У нас в стране биомаркеры пока не получили такого широкого практического применения в гидроэкотоксикологии, и используются в основном в научно-исследовательских целях. Существуют разные определения термина «биомаркер», но все они в той или иной степени отражают ответную реакцию организма на действие того или иного внешнего или внутреннего фактора. Общебиологическое понятие «биомаркер» обозначает измеряемый параметр или событие (процесс, явление), происходящее в биологической системе или биологическом образце на суборганизменном и организменном уровне биологической организации (молекула, клетка, ткань, физиологическая система, организм) [6].

Некоторые исследователи понимают термин «биомаркер» в более широком смысле, используют его для обозначения изменений на всех биологических уровнях организации: суборганизменном, организменном, популяционном, уровне сообществ и экосистем. Но абсолютное большинство ученых-экотоксикологов придерживается первоначального, более узкого понимания термина. Для показателей событий, явлений и процессов, происходящих под действием загрязняющих веществ в биологических системах более высокого уровня (популяция, сообщество, экосистема), чаще применяется термин «биоиндикатор», а применение биоиндикаторов с этой целью называется биоиндикацией. Биомаркеры используются в условиях in vivo, invitro и insitu как в лабораторных экспериментах, так и в полевых исследованиях, а их использование по аналогии с биоиндикацией называется биомаркированием.

В водной экотоксикологии биомаркеры - это морфофункциональные показатели экспозиции гидробионтов к стрессорам окружающей среды, выражаемые на организменном и суборганизменном уровнях биологической организации, таких как молекулярно-генетический, биохимический, физиологический и гистологический [8]. Они применяются для оценки состояния здоровья или риска проявления патологии (структурно-функциональные нарушения, связанные с болезнью) у гидробионтов, либо для оценки воздействия на организм химических загрязняющих веществ или ксенобиотиков. Затем результаты, полученные на уровне организма, интерпретируются как отражение более общего состояния организма (выживаемость, рост, размножение) или состояния популяции, сообщества, экосистемы

Эффекты на разных уровнях биологической организации, вызываемых действием загрязняющих веществ, взаимосвязаны [11, 12]. Поступление загрязняющих веществ в воду, а затем в организм приводит к изменениям поведения (реакция изD бегания, взаимодействие хищник-жертва, репродуктивное, пищевое поведение и т.д.) и биохимическим ответам (изменения активности ферментов, активация и подавление метаболических путей, мутации ДНК и т.д.). Последние вызывают изменения в физиологических системах (дыхание, кровообращение, выделение, питание и пищеварение, рост, водно-солевой баланс и т.д.) и морфологические нарушения (опухоли, деформации, изменения структуры клеток и тканей и т.д.). Все вместе - поведенческие, биохимические и морфофизиологические ответы, приводят к внешним проявлениям: изменениям размерно-массовых показателей, нарушениям развития, снижению репродуктивного успеха, гибели и др. Комплекс негативных изменений на организменном уровне вызывает эффекты на популяционном уровне (снижение численности, изменение возрастной структуры, изменение генофонда, изменение пространственного распределения, исчезновение популяции и т.д.), что ведет к нарушению структуры и динамики сообществ и экосистем (изменение видового состава и разнообразия, смены доминантных видов, изменение сукцессионных моделей и т.д.), а в конечном итоге к функциональным нарушения в них (снижение скорости разложения органического вещества, нарушения биогенных циклов, уменьшение первичной продуктивности, изменения в пищевых связях и др.)

В настоящее время в качестве биомаркеров применяют следующие параметры организма гидробионтов:
- изменения на уровне ДНК;
- функциональные белки, включая ферменты;
- метаболиты;
- неспецифические иммунологические, гистопатологические и физиологические ответы.
Их можно условно разделить на два типа: биомаркеры воздействия и биомаркеры эффекта. Однако четкого разграничения между ними не существует, т.к. одни и те же биомаркеры могут быть одновременно отнесены к разным типам.

Биомаркером воздействия может выступать экзогенное соединение (или его метаболит) внутри организма (биологической системы), продукт взаимодействия между соединением (или метаболитом) и эндогенным компонентом, либо другое событие, связанное с воздействием химического или физического экзогенного фактора. Биомаркеры воздействия являются специфическими и позволяют выявить факт воздействия конкретного фактора на организм или его присутствия в окружающей среде. Примером биомаркера этого типа может быть содержание метаболитов полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в желчи, полихлорированных бифенилов (ПХБ) и металлотионеинов в тканях, активность АХЭ (ацетилхолинэстеразы) в мозге или крови, индукция ферментов биотрансформации ксенобиотиков в печени рыб и др. Оценка биомаркеров воздействия должна проводиться с учетом временных особенностей экспозиции и применительно к различным составнымчастям (компартментам) организма. Наибольшую прогностическую ценность имеют те биомаркеры воздействия, для которых установлена функциональная или потенциальная корреляция с нарушениями здоровья организма гидробионтов.

Биомаркером эффекта может выступать эндогенный компонент или параметр функциональной способности, либо другой показатель состояния равновесия организма или системы органов, на которые оказано воздействие, признаваемый как морфофункциональное нарушение или заболевание. Примером биомаркера этого типа могут служить показатели состояния окислительного стресса (СОС), белки теплового шока (БТШ) или по-другому стресс-белки, активность АХЭ в мозге, содержание глюкозы в крови, индукция ферментов биотрансформации ксенобиотиков в печени и др. Биомаркеры эффекта, как правило, являются индикаторами отклонений от нормального состояния организма. Обычно они указывают на изменения функции клеток, тканей, отдельных органов и организма в целом. Эти биомаркеры могут быть специфическими и неспецифическими.

Специфические биомаркеры указывают на биологический эффект конкретного типа воздействия. Примером такого биомаркера служит активность АХЭ в мозге рыб. В результате ее снижения под действием фосфорорганических соединений (ФОС) и карбаматов нарушается проведение нервного импульса в холинергических синапсах, и развиваются симптомокомплексы отравления организма нейропаралитического типа. Неспецифические биомаркеры не указывают на конкретную причину эффекта, но отражают общий, комплексный характер комбинированного воздействия. К такому типу биомаркеров относятся набор показателей, указывающий на развитие в клетке СОС: продукты перекисного окисления липидов (ПОЛ): (малоновый диальдегид, диеновые конъюгаты); содержание карбонильных групп в белках, изменение активности ферментов (каталаза (КАТ), супероксиддисмутаза (СОД), пероксидаза, глутатион DSD трансфераза (ГSТ) и др., и содержания низкомолекулярных компонентов (восстановленный и окисленный глутатион, каротиноиды, витамин С (аскорбат), витамин Е (токоферол) и другие антиоксиданты) системы антиоксидантной защиты (АОЗ) в различных тканях организма.

Однако не каждый показатель, отражающий морфофункциональные изменения или отклонения от нормы в организме гидробионтов, может претендовать на роль биомаркера. При выборе показателей потенциальных кандидатов в биомаркеры необходимо руководствоваться следующими важными критериями: химическая и биологическая специфичность, ясность интерпретации данных, латентный период, устойчивость и обратимость ответа, биологическая изменчивость (вариабельность), взаимосвязь с эффектами более высокого уровня биологической организации, применимость в лабораторных и/или полевых условиях, ограничения практического применения (простота, надежность, точность).

Главное ограничение для широкого практического использования биомаркеров в настоящее время - сложность интерпретации полученных результатов с точки зрения оценки биологических последствий выявленных изменений для индивидуума, популяции, сообщества, поскольку прямая связь между процессами на разных уровнях биологической организации не всегда очевидна.

При антропогенном воздействии на окружающую среду попадание токсического вещества тем или иным путем в организм вызывает в нем следующую последовательность изменений и их возможных последствий [10]. В первую очередь токсикант связывается с молекулярным лигандом (молекулой-лигандом). Это приводит к биохимическим дисфункциям (ингибирование ферментов, нарушение метаболических путей и т.д.), которые вызывают морфофизиологические нарушения (объемно-регуляторная недостаточность, морфофункциональная дезинтеграция, дистрофия и т.д.). С этого этапа могут наблюдаться два сценария развития ситуации в организме. Первый, наиболее негативный, проявляется в нарастающей гибели клеток, некрозах и отмирании тканей и в конечном итоге гибели всего организма. Второй - это биохимическая адаптация (индукция ферментов, изменение или восстановление метаболических путей и др.), приводящая к морфофизиологическим адаптациям (объемно-регуляторное восстановление, пролиферация, гипертрофия и гиперплазия и т.д.), регенерация клеток, адаптация целого организма к новым условиям.

Важным моментом для практического использования биомаркеров является четкое понимание для каждого из них и для каждого вида гидробионтов следующих диапазонов их изменчивости под действием внешних и внутренних факторов:
1. Гомеостатический или норма реакции - характерный для каждого вида в относительно стабильных внешних условиях.
2. Адаптивный, в пределах которого организм может приспособиться к изменяющейся внешней среде, включая и антропогенное воздействие, без патологических нарушений и способностью в полном объеме выполнять все основные биологические функции (выживаемость, рост, размножение).
3. Токсический, характеризующийся патологическими морфофункD циональными нарушениями, которые влекут за собой болезнь организма и ограниченную возможность поддерD живать его нормальную жизнедеятельность, в экстремальных случаях заканчивающихся его гибелью.

Сравнение диапазонов биохимических и морфофункциональных ответов с ответами целого организма гидробионтов при действии разных по интенсивности факторов внешней среды может быть представлено следующим образом [13].

При низкой интенсивности воздействия фактора в гомеостатичеком и адаптивных диапазонах организм функционирует нормально. При этом биохимические и морфофункциональные параметры организма варьируют в пределах нормы реакции или его адаптивных возможностей. При более сильных воздействиях внешнего фактора, соответствующих токсическому диапазону, когда превышены адаптивные возможности организма на биохимическом и морфофункциональном уровнях, в нем развиваются патологические изменения. Еще более сильные воздействия приводят к гибели организма.

В настоящее время для многих физиологических, биохимических и морфологических показателей состояния организма показано, что они могут изменяться под действием на организм различных внешних и внутренних физических, химических и биологических факторов. Однако для того, чтобы показатель состояния организма мог быть использован как биомаркер, важно не только показать, что он меняется под действием какого-либо фактора, но и установить пределы варьирования его значений в диапазоне нормы реакции, адаптивном и патологическом диапазонах. Только в этом случае его можно использовать с диагностической целью.

Использование биомаркеров в гидроэкотоксикологии сильно ограничивается недостатком базовых данных по биохимии и физиологии гидробионтов в «нормальных» физиологических диапазонах (норма реакции). Поэтому развитие таких знаний для конкретного биомаркера является существенным для внедрения в практику. Особое значение имеют и экологические факторы, такие как физико-химический состав водной среды (минеральный состав, рН, содержание растворенного кислорода, содержание органических и биогенных элементов и т.д.), сезонная цикличность биологических и абиотических процессов и климатогеографические особенности мест обитания гидробионтов. В конечном итоге изменчивость измеряемого показателя (биомаркера) должна быть понятна и находиться внутри допустимых пределов.

В отличие от млекопитающих и птиц, которые по отношению к основным экологическим факторам являются регуляторами в том смысле, что состояние внутренней среды их организма поддерживается на постоянном уровне независимо от изменения состояния внешней среды, гидробионты в своей массе относятся к конформерам, т.е. состояние их внутренней среды следует за изменениями внешней среды. Эти различия не позволяют механически использовать данные, полученные на млекопитающих и человеке, и требуют отдельного и тщательного изучения адаптивных реакций и токсических эффектов и установления границ их диапазонов у гидробионтов. Решение проблемы четкого разделения адаптивных ответов и токсических эффектов у водных организмов позволит проводить правильный выбор биомаркеров для выполнения гидроэкотоксикологических исследований.

Таким образом, биомаркеры в настоящее время являются важным инструментом в гидроэкотоксикологии, который используется при изучении антропогенного влияния на водные организмы и экосистемы, помогает понять механизмы этого влияния и оценить его последствия. Разработка новых биомаркеров и совершенствование уже имеющихся является одной из важных задач ученых-экологов. Подобно другим инструментам биомаркеры имеют свои преимущества и недостатки, которые должны быть учтены при их выборе, применении и интерпретации полученной с их помощью информации. Необходимы дополнительные развернутые исследования нормы реакции и базовых уровней всех показателей, используемых в настоящее время и претендующих на использование в качестве биомаркеров, у широкого ряда видов гидробионтов.

Литература:
1. Лукьянова О.Н., 2001. Молекулярные биомаркеры. Владивосток: изд-во ДВГАЭУ, 2001. 196 с.
2. Моисеенко Т.И., 2009. Водная экотоксикология: Теоретические и прикладные ас- пекты. М: Наука, 2009. 400 с.
3. Немова Н.Н., Высоцкая Р.У., 2004. Биохимическая индикация состояния рыб. М: Наука, 2004. 316 с.
4. Никаноров А.М., Иваник В.М., 2014. Словарь-справочник по гидрохимии и качеству вод суши. Ростов-на-Дону: ООО «Центр Печатных Технологий АртАртель», 2014. 548 с.
5. Строганов Н.С., 1968. Загрязнение вод и задачи водной токсикологии // Тезисы докладов на всесоюзной научной конференции по вопросам водной токсикологии, 30 января 2 февраля 1968 г., МГУ, Москва. М: Наука, 1968. С. 7-9.
6. Чуйко Г.М., 2014а. Биомаркеры в гидроэкотоксикологии: принципы, методы и ме- тодология, практика использования. Гл XV. // В кн. Экологический мониторинг. Часть VIII. Современные проблемы мониторинга пре новодных экосистем: Учебное пособие / Под ред. проф. Д.Б. Гелашвили, проф. Г.В. Шурга- новой. Нижний Новгород: Изд-во Нижего- родского госуниверситета, 2014. С. 310-326.
7. Чуйко Г.М., 2014б. Биомаркеры в гидроэкотоксикологии: принципы, методы и ме- тодология, практика использования. В кн. Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы: материалы V Всероссий- ской конференции по водной экотоксикологии, посвященной памяти Б.А. Флерова, с приглашением специалистов из стран ближнего зарубежья; Современные методы исследования состояния поверхностных вод в условиях антропогенной нагрузки: материалы школы-семинара для молодых ученых, аспирантов и студентов. (Борок, 28 октября -1 но- ября 2014 г.). В двух томах. Том 2. Ярославль: Филигрань, 2014. С. 186-201.
8. Adams S.M.,2002. Biological indicators of aquatic ecosystem stress. Bethesda, Maryland: Am. Fish. Soc., 2002. 644 pp.
9. Committee on Biological Markers of the National Research Council. Biological Markers in Environmental Health // Environmental Health Perspectives. 1987. V. 74, P. 3-9.
10. Hinton D.E., Lauren D.J., 1990. Integrative histopathological approaches to detecting effects of environmental stressors on fishes // In: Adams S.M. (Ed). Biological indicators of stress in fish. American Fisheries Society Symposium 8. Bethesda, MD: AFS, 1990. P. 51-66.
11. Multby L., 1994. Stress, shredders and streams: using Gammarus energetics to assess water quality. In D.W. Sutcliffe (ed.) Water quality and stress indicators in marine and freshwater systems: linking levels of organization.
12. Sheehan P.J., 1984. Effects on individuals and populations. In P.J. Sheehan, D.R. Miller,
G.C. Butler, Ph. Bourdeau (eds.) Effects of pollutants at the ecosystems level. Chichester (UK): John Wiley & Sons Ltd, 1984. P. 23-99.
13. Versteeg D.J., Graney R.L., Giesy J.P., 1988. Field utilization of clinical measures for the assessment xenobiotic stress in aquatic organisms // In: W.J. Adams, Chapman G.A., W.G. Landis (eds). Aquatic toxicology and hazardassessment. ASTM- STP 971. Philadelphia: American Society (eds).
14. Аquatic toxicology and hazard assessment. ASTMSTP 971. Philadelphia: American Society for Testing Materials, 1988. P. 289-306.

 

 Biomarkers in the assessment of toxic effects on aquatic organisms and environmental monitoring of aquatic ecosystems

The article provides the definition of a biomarker, discusses the history of its introduction into practice and use in aquatic ecotoxicology. The classification of biomarkers, and analyze their place and role in the modern system of assessment of the functional state of hydrobionts and environmental monitoring of aquatic ecosystems. Compares the advantages and disadvantages of biomarkers with other existing analysis methods the aquatic environment: physico1chemical, biotesting and bioindication.

Keywords: biomarkers, aquatic ecotoxicology, aquatic organisms, water monitoring, analysis of the water environment.

 

Chuiko Grigoriy Mikhaylovich, Doctor of Biology, head of laboratory of physiology and toxicology, of aquatie animals Russian Academy of Sciences. Russia, 152742, Yaroslavl region, Nekouz district, Borok, IBIW RAS. EDmail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
I.D. Papanin Institute for Biology of Inland Waters Russian Academy of Sciences

 

Журнал «Вода Magazine», №7 (119), 2017 г.

 

Просмотров: 167
Оставьте ваш комментарий
Новости
От первого лица
Мирон Гориловский, генеральный директор Группы «ПОЛИПЛАСТИК»:
«В наших реалиях качество поставляемой продукции должен контролировать заказчик»
В последнее время предприятия водопроводно-канализационного хозяйства и теплоснабжения все активнее применяют при строительстве и реконструкции сетей водоснабжения, канализации и теплоснабжения...
Компании
20.11.2019
Магнитогорский металлургический комбинат построит новые механическую и биохимическую установки
УКС ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» и АО «Восточный научно-исследовательский...
20.11.2019
Японские специалисты презентовали в Петербурге технологические новинки для водоснабжения и водоотведения
Японские специалисты познакомили петербургских коллег с технологическими новинками в сфере ЖКХ. По...
20.11.2019
Следователи проводят обыски по делу о контрактах ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»
Группа оперативников Управления экономической безопасности и противодействия коррупции ГУ МВД и...
Проекты
Новые статьи
Выставки/Конференции