Обмен натрия и калия у рыб при высокой концентрации ионов в воде

УДК 597.442-1.05.577.118

В. В. Андреев, Р. А. Гулиев

ОБМЕН НАТРИЯ И КАЛИЯ У РЫБ ПРИ ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ В ВОДЕ

Изучение минерального обмена у рыб в течение последнего десятилетия становится всё более актуальным. Это связано с необходимостью разработки новых технологий по выращиванию товарной рыбы в условиях с различным содержанием минеральных веществ в окружающей среде. Актуальным является вопрос и при создании искусственных, сбалансированных по минеральному составу кормов и изучении пределов адаптационных возможностей рыб.

Важным и не до конца изученным остается вопрос о способности рыб накапливать в своем теле ионы различных металлов, а также о возможности и условиях их выведения из организма.

Ионы Na+, K+, наряду с ионами Mg++, Ca++, Cl , SO4 , составляют группу основных ионов, определяющих механизм осморегуляции у рыб. Несмотря на достаточно глубокую изученность вопроса [1], до настоящего времени нет единого мнения о путях поступления ионов натрия и калия в организм рыб. Малочисленны сведения о закономерностях миграции и накоплении макроэлементов в органах и тканях и совершенно недостаточны и противоречивы данные о механизме экскреции элементов из организма рыб [2].

С целью изучения в экспериментальных условиях особенностей механизма обмена натрия и калия у молоди проходных (русский осетр) и пресноводных рыб (чешуйчатый карп) были поставлены следующие задачи:

- определить основные пути поступления натрия и калия в тело рыб при изменяющейся концентрации ионов в воде;

- выяснить особенности перераспределения и накопления натрия и калия в органах и тканях рыб;

- установить особенности экскреции элементов из организма рыб.

Материал и методы исследований

Для эксперимента отбирали годовиков чешуйчатого карпа длиной 18,0-22,0 см при среднем весе 180 г и годовиков русского осетра длиной 24,0-27,0 см при среднем весе 43,0 г.

Эксперимент проводили в двухкамерном аквариуме, выполненном из органического стекла. Рыбу помещали в него таким образом, что ее головная часть с помощью резинового кольца фиксировалась в первой камере, а туловище с помощью специального крепления удерживалось во второй камере аквариума.

В одну часть аквариума заливали отстоянную речную воду, в другую - раствор с различной концентрацией солей NaCl и KCl. В речной воде, используемой для экспериментов, предварительно определяли содержание ионов натрия и калия.

Опыты проводили при температуре воды 15-17 °С, поддерживая с помощью компрессора в воде аквариума постоянную концентрацию кислорода - 8,5 мг/л. Все опыты, включая контрольный с речной водой, продолжались в течение 24 часов.

Количество натрия и калия в органах и тканях рыб определяли методом пламенной эмиссии на атомно-абсорбционном спектрофотометре [3]. Количество гемоглобина в крови определяли гемометром Сали и выражали в г%. Процентное содержание воды в крови выясняли взвешиванием на торзионных весах свежей капли крови (35-40 мм3) на фильтровальной бумаге и указанной капли, высушенной до постоянного веса. Содержание воды в мышцах рыб определяли высушиванием до постоянного веса 1 г сырой навески мышечной ткани рыб. Для определения коллоидной устойчивости сывороточных белков использовали микрометод Вельтмана [4].

Всего было подвергнуто анализу 40 экз. молоди карпа и 40 экз. молоди осетра. Результаты анализа обрабатывались биометрически [5].

Результаты исследований и их обсуждение

В отстоянной речной воде, используемой для контрольного опыта и последующих экспериментов, концентрация ионов натрия составляла 17,8 мг/л, а содержание калия - 4,7 мг/л.

Содержание натрия и калия в органах и тканях молоди карпа и осетра по результатам контрольного опыта свидетельствует о существенных различиях их концентраций в теле рыб. Наибольшая концентрация натрия отмечена в крови и почках, калия - в мышцах; меньше всего натрия в жабрах, калия - в крови (табл. 1).

Таблица 1

Содержание натрия и калия в органах и тканях молоди карпа и осетра в контрольном эксперименте с речной водой, г/кг

Элемент Сыворотка крови, г/л Жабры Мышцы Кишечник Печень Почки Кожа

Карп

Ка 1,8 ± 0,7 0,9 ± 0,1 1,3 ± 0,2 1,2 ± 0,2 1,7 ± 0,2 2,3 ± 0,2 1,0 ± 0,1

К 0,4 ± 0,04 1,5 ± 0,2 4,9 ± 0,3 3,2 ± 0,3 3,1 ± 0,4 3,2 ± 0,3 2,6 ± 0,3

Осетр

Ка 2,1 ± 0,3 0,8 ± 0,1 1,6 ± 0,2 1,0 ± 0,1 1,3 ± 0,2 1,9 ± 0,2 1,3 ± 0,2

К 0,4 ± 0,1 1,6 ± 0,2 3,4 ± 0,3 2,6 ± 0,3 2,5 ± 0,3 2,2 ± 0,3 2,4 ± 0,2

Опыт 1. Рыб помещали головной частью тела в аквариум с водой, с повышенной в 100 раз, по сравнению с контролем, концентрацией натрия (1,78 г/л) и калия (0,47 г/л).

Концентрация натрия в сыворотке крови осетра в первые 4 часа быстро возрастала -с 2,1 до 5,6 г/л, а затем медленно снижалась и к 12 часу достигала относительно постоянной величины. Этот уровень содержания натрия в сыворотке крови оказался в 2,1 раза выше, чем в контроле (рис. 1).

- осетр № - карп К - осетр - К - карп

8 10 12

Время экспозиции, ч

0

2

4

6

Рис. 1. Содержание натрия и калия в крови карпа и осетра при экспозиции головной части рыб в воде с увеличенной в 100 раз по сравнению с контролем концентрацией этих элементов

У карпа увеличение концентрации натрия в сыворотке происходило значительно медленнее, особенно в первые 2 часа, но уже к 8 часу эксперимента его уровень достигал максимальной величины - 4,1 г/л и в дальнейшем оставался относительно постоянным.

Содержание калия в крови карпа и осетра изменялось менее значительно (р > 0,05), и в конце эксперимента его уровень по сравнению с контролем увеличился: у карпа - в 1,6, у осетра - в 1,5 раза (рис. 1).

В жабрах изменения концентрации натрия у карпа и осетра имеют много общего с динамикой этих элементов в крови - более медленное увеличение концентрации натрия в первые 2 часа у карпа и быстрый рост у осетра (рис. 2). Уже через 6 часов у подопытных рыб уровень натрия в жабрах стабилизируется. У осетра при этом в жабрах обнаруживается натрия в 3,0 раза, а у карпа в 2,1 раза больше (р < 0,05), чем в контроле. Изменения концентраций калия у рыб в жабрах оказались незначительными (в 1,1-1,2 раза) и статистически недостоверными.

Рис. 2. Содержание натрия в жабрах карпа и осетра при экспозиции головной части рыб в воде с увеличенной в 100 раз по сравнению с контролем концентрацией ионов натрия и калия

В печени, как у молоди карпа, так и у молоди осетра, отмечено в конце опыта незначительное (р > 0,05) увеличение концентрации натрия и калия по сравнению с контролем.

В мышцах рыб наблюдается слабо выраженное и статистически недостоверное накопление натрия и калия, причем у карпа отмечено более высокое (в 1,3—1,4 раза) накопление калия.

В кишечнике молоди карпа и осетра в течение 24 часов происходило медленное накопление натрия, однако его уровень не достиг статистически достоверного различия с контролем. Наоборот, количество калия в кишечнике рыб увеличивалось более заметно, особенно у осетра (в 1,6 раза). У карпа коэффициент накопления калия был несколько ниже (в 1,3 раза), но при этом во всех случаях различия достигали статистически достоверных величин.

В почках рыб уровень натрия и калия начал увеличиваться с первых 2 часов экспозиции. У карпа через 8 часов в почках отмечено наиболее высокое содержание натрия (1,5 г/кг) и калия (6,0 г/кг). У осетра максимальный уровень калия в почках по сравнению с контролем наблюдался через 4 часа экспозиции (увеличение в 1,7 раза), натрия - через 10 часов (увеличение в 1,6 раза). До конца опыта высокое содержание натрия и калия в почках рыб сохранялось.

Эксперимент показывает, что в тело рыб ионы натрия и калия поступают через жабры, но интенсивность их сорбции различна.

Известно, что активный транспорт и перенос ионов из внешней среды через мембрану клеток зависит от натриевого насоса, обеспечивающего превращение химической энергии в осмотическую. В толще мембраны находится фермент №+, К+ АТФаза, с активностью которого связан транспорт ионов. В [6] отмечено, что максимальная активность фермента достигается при соотношении ионов натрия и калия на поверхности мембраны клеток как 5,0:1,0.

Высокая концентрация ионов натрия и калия в воде изменяет соотношение концентраций этих элементов на поверхности клеточных мембран и нарушает сложившийся механизм минерального обмена.

Адаптация к высокой концентрации ионов натрия и калия в воде у осетра происходит быстрее, чем у карпа. Это доказывает то, что осморегуляторный механизм у проходных рыб хорошо развит уже у молоди [7, 8].

С кровью ионы натрия и калия поступают в органы и ткани рыб, однако их накопление здесь регулируется тем же натриевым насосом и зависит от физиологического состояния рыбы, её потребности в минеральных веществах, абиотических условий и многих других факторов, важнейшим из которых является время воздействия высоких концентраций ионов металлов на рыб.

Нами отмечено незначительное накопление натрия и калия в печени и мышцах в течение 24 часов экспозиции головной части подопытных рыб в воде с высокой концентрацией ионов натрия и калия. Относительно стабильный уровень натрия и калия в крови и жабрах уже через 4-8 часов экспозиции в воде с высокой концентрацией этих элементов, а также относительно стабильное содержание изучаемых ионов в мышцах и печени свидетельствуют о достижении рыбами в течение этого времени состояния гомеостаза.

Экскреция натрия и калия из тела рыб осуществляется через почки. У осетра выведение из тела ионов натрия и калия начинается значительно раньше, чем у карпа, что также доказывает наличие более гибкого механизма ионного обмена у проходных рыб. Высокий уровень натрия и калия в почках у подопытных рыб, свидетельствующий об их выведении из организма, сохранялся до конца эксперимента.

Часть ионов калия и, особенно, натрия способна выводиться через жабры, о чем свидетельствует более высокий их уровень, по сравнению с контролем, в жабрах в течение всего эксперимента.

Важным органом, обеспечивающим выведение натрия и калия из организма, является кишечник. В настоящее время считается установленным фактом способность морских рыб для осморегуляции заглатывать воду в гиперосмотических условиях среды, а также экскретиро-вать минеральные вещества через кишечник даже при отсутствии пищи [2, 5, 9].

В нашем эксперименте содержание натрия в кишечнике карпа и осетра увеличивалось незначительно (р > 0,05), и можно предположить, что экскреция натрия у рыб осуществляется не кишечником, а через жабры и почки. Напротив, количество калия в кишечнике подопытных рыб увеличивается до статистически достоверных величин. Это дает основание считать, что калий из тела рыб выводится преимущественно почками и кишечником.

В условиях повышенной солености среды, одновременно с проникновением солей в организм рыб, интенсивно происходит и водный обмен [10]. Обмен воды у рыб изучался в основном с точки зрения осморегуляции [1]. Установлено, что стеногалинные пресноводные и эвригалин-ные проходные рыбы обладают соответствующими гомеостатическими механизмами, позволяющими им адаптироваться к изменениям солености среды.

В воде с высокой концентрацией солей натрия и калия у молоди карпа и осетра происходит дегидратация мышц (табл. 2). В большей степени воду теряют мышцы молоди карпа (3,2 %) и в 2 раза меньше осетра (1,7 %). Количество воды в крови, напротив, увеличивается: у карпа -на 3,5 %, у осетра - на 4,6 % (р < 0,05). Повышение количества воды в сыворотке крови у рыб, находящихся в соленой воде, связано с повышением солевого состава крови. Благодаря проникновению воды в кровь поддерживается постоянство внутренней среды рыб в целом.

Таблица 2

Показатели физиологического состояния молоди рыб при их экспозиции в воде с различной концентрацией ионов натрия и калия

Показатель Карп Осетр

Контроль Опыт 1 Опыт 2 Конторь Опыт 1 Опыт 2

Содержание воды в мышцах, % 67,7 ± 8,3 73,2 ± 8,7 76,6 ± 9,1 78,2 ± 8,3 76,9 ± 7,9 77,8 ± 8,2

НЬ по Сли, г% 5,8 ± 0,6 6,8 ± 0,7 6,0 ± 0,7 6,1 ± 0,7 6,8 ± 0,6 6,3 ± 0,6

Коллоидная устойчивость сывороточных белков, ед. 3,8 ± 0,4 4,4 ± 0,4 4,0 ± 0,4 4,2 ± 0,5 4,6 ± 0,5 4,4 ± 0,5

Количество воды в крови, % 82,2 ± 9,2 85,7 ± 9,4 83,5 ± 8,8 83,1 ± 7,9 87,7 ± 9,4 84,6 ± 9,6

О существенных изменениях водно-солевого состава крови рыб при высокой концентрации солей натрия и калия свидетельствует повышение уровня гемоглобина в крови молоди рыб (табл. 2). У карпа содержание гемоглобина повысилось на 1,0 г%, у осетра - на 0,7 г% (^ < 0,05). Повышение уровня гемоглобина у рыб свидетельствует об активизации газообмена и повышении энергетических затрат для достижения гомеостаза при высокой концентрации ионов натрия и калия в воде.

Изменения ионного и водного состава сыворотки крови рыб подтверждаются и изменениями в составе сывороточных белков и их электролитического потенциала. Показатель коллоидной устойчивости сывороточных белков (лента Вельтмана) у карпа и осетра смещается вправо на 0,6-0,3 соответственно (р < 0,05).

Опыт 2. Молодь карпа и осетра помещали головной частью в камеру аквариума с обычной речной водой, а в туловищную часть аквариума наливали воду, концентрация ионов натрия и калия в которой была в 100 раз выше по сравнению с контролем.

Известно, что особенности адсорбции и абсорбции элементов определяются специфическими свойствами кожи рыб, её асимметричностью по отношению к различным веществам [11]. Проницаемость кожи рыб зависит от видовых особенностей, а также от возраста, концентрации и природы сорбируемых веществ, времени экспозиции, температуры и других факторов среды. У рыб основными каналами проникновения веществ через кожу следует считать межклеточные пространства и неклеточные образования кожи [9].

У рыб, помещенных туловищной частью тела в воду с высокой концентрацией ионов натрия и калия, в течение 24 часов наблюдений не отмечено изменений содержания этих элементов в жабрах, крови, печени, кишечнике и почках по сравнению с контролем.

В коже рыб отмечено повышение концентрации ионов натрия и калия, причем содержание натрия в коже карпа (увеличение в 1,6 раза) и осетра (увеличение в 1,5 раза) достигало статистически достоверных различий по сравнению с контролем, а количество калия в коже рыб при этом изменялось незначительно (табл. 1, рис. 3).

5 3 п

2.5

2 Н

1.5 1

0,5 Н 0

-К - карп -К - осетр

- карп

- осетр

12

18

24

Время экспозиции, ч

0

6

Рис. 3. Содержание натрия и калия в коже при экспозиции туловищной части тела рыб в аквариуме с увеличенной в 100 раз по сравнению с контролем концентрацией ионов

В мышцах карпа и осетра также обнаружено незначительное (в 1,1-1,06 раза) увеличение количества натрия ф > 0,05). Количество калия при этом оставалось неизменным.

В воде с высокой концентрацией солей натрия и калия у молоди карпа и осетра происходит незначительная дегидратация мышц (табл. 2). В большей степени воду теряют мышцы молоди карпа (0,9 %) и в 2 раза меньше - осетра (0,4 %). Количество воды в крови, напротив, возрастает у карпа на 0,3 %, а у осетра на 0,5 % ф > 0,05). Повышение количества воды в сыворотке крови у рыб, находящихся в соленой воде, связано с повышением солевого состава крови. Благодаря проникновению воды в кровь поддерживается постоянство внутренней среды рыб в целом.

Изменения ионного и водного состава сыворотки крови рыб подтверждаются и изменениями в составе сывороточных белков и их электролитического потенциала. Показатель коллоидной устойчивости сывороточных белков (лента Вельтмана) у карпа и осетра смещается вправо на 0,3-0,1 соответственно ф > 0,05).

Результаты опыта показывают, что кожные покровы карпа и осетра имеют слабую проницаемость для ионов натрия и, особенно, калия. В то же время, учитывая большую площадь поверхности тела и фактор времени, можно рассматривать кожные покровы рыб как один из возможных путей поступления этих элементов в тело рыб.

Экскреция натрия и калия через кожные покровы, в связи с их слабой проницаемостью для этих ионов, ничтожно мала.

Выводы

1. Изменения концентраций ионов натрия и калия в воде способствуют изменению активности сорбции этих элементов.

2. Поступление ионов натрия (без учета пищи) осуществляется в основном через жабры, о чем свидетельствует их достаточно интенсивное накопление в жабрах и сыворотке крови рыб уже в первые часы эксперимента. Ионы калия, видимо, поступают в организм рыб преимущественно с пищей.

3. У проходных рыб адаптация к изменяющейся концентрации солей происходит, как правило, быстрее, чем у пресноводных, что связано с более развитым у них механизмом осморегуляции.

4. При высокой концентрации натрия в воде ионы могут депонироваться в мышцах и печени.

5. Кожные покровы карпа и осетра имеют слабую проницаемость для натрия и калия.

6. Экскреция натрия у карпа и осетра осуществляется преимущественно жабрами и почками, а калия - почками и кишечником.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. СорвачевК. Ф. Основы биохимии питания рыб. - М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1982. - 247 с.

2. Наточин Ю. В., Лукьяненко В. И., Металлов Г. Ф., Лаврова Е. А. // Экологическая физиология и биохимия рыб: Т. I. - Тез. докл. IV Всесоюз. конф. - Астрахань, 1979. - С. 34-35.

3. Прайс В. Аналитическая атомно-абсорбционная спектроскопия. - М.: Мир, 1976. - 355 с.

4. Кычанов М. В., Герфанова Н. А. Микрометод определения коллоидной устойчивости сывороточных белков рыб // Рациональные основы ведения осетрового хозяйства: Тез. докл. науч.-практ. конф. -Волгоград, 1981. - С. 135-136.

5. Терентьев П. В., Ростова Н. С. Практикум по биометрии. - Л.: Изд-во Ленинград. ун-та, 1977. - 152 с.

6. Рекрут В. Д. Влияние соотношения ионов №+ и К+ в рационе на пищеварение у карпа // Экологическая физиология и биохимия рыб: Тез. докл. VII Всесоюз. конф. - Ярославль, 1989. - Т. II. - С. 111-112.

7. Каневский Ю. П. Поглощение ионов кальция и магния речной миногой из пресной воды // V Всесоюз. конф. по физиологии и биохимии рыб: Тез. докл. - Киев: Наук. думка, 1982. - Ч. 2. - С. 28.

8. Лапкин В. В., Лиманский В. В., Мартемьянов В. И. Осмолярность плазмы крови рыб как физиологический показатель предпочитаемых температур // Экологическая физиология и биохимия рыб: Тез. докл. VII Всесоюз. конф. - Ярославль, 1989. - Т. I. - С. 256-257.

9. Карпюк М. И., Зубченко И. А., Сокольский А. Ф. Теория биосорбции водных животных (научные основы и практическое использование). - Астрахань: КаспНИРХ, 2002. - 333 с.

10. Привольнев Т. И. Влияние солености воды на водный обмен пресноводных рыб // Обмен веществ и биохимия рыб. - М.: Наука, 1967. - С. 232-237.

11. Строганов Н. С., Лишманова А. П. Проницаемость кожи пресноводных рыб // Некоторые проблемы гидробиологии / Тр. Моск. о-ва испытателей природы. - 1968. - Т. 30. - С. 159-167.

Статья поступила в редакцию 25.03.2008

EXCHANGE OF SODIUM AND POTASSIUM AT THE FISH IN CONDITIONS OF HIGH CONCENTRATION OF IONS IN WATER

V. V. Andreev, R. A. Guliev

The peculiarities of mechanism of permeability of sodium and potassium ions into the body of fries of stenohaline (scaly carp) and euryhaline (Russian sturgeon) fish in experimental conditions using two-chambered aquariums have been examined. The head and caudal part of aquarium were, by turns, filled up with water with 100 times increased concentration of sodium and potassium ions, compared with control. The duration of the experiment was 24 hours. The entrance of sodium ions (without food) is mainly realized through gills, it is testified by the intensive accumulation of the sodium ions in gills and in fish blood serum. Potassium ions obviously penetrate into fish with food. The adaptation to changing saline concentration of migratory fish lasts more quickly than of fresh-water fish, because they have more mature osmoregulation mechanism. In condition of high sodium concentration in water, ions can be deposited in muscles and liver. Cutaneous covering of carp and sturgeon have low permeability of sodium and potassium. Sodium excretion of carp and sturgeon is mainly realized with gills and buds, and potassium excretion - with buds and bowel.

Key words: mechanism of permeability, ions, sodium, potassium, scaly

carp.