Биосорбция натрия и калия у молоди карповых и осетровых рыб в экспериментальных условиях

ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ ГИДРОБИОНТОВ

УДК 597.442-1.05.577.118

В. В. Андреев

БИОСОРБЦИЯ НАТРИЯ И КАЛИЯ У МОЛОДИ КАРПОВЫХ И ОСЕТРОВЫХ РЫБ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ

Минеральный обмен у рыб вызывает все больший интерес у исследователей в течение последнего десятилетия. 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. Отсутствуют сведения о закономерностях миграции и накоплении их в теле рыб и совершенно недостаточны сведения о механизме экскреции элементов из организма рыб [2].

С целью выяснения особенностей механизма обмена натрия и калия у молоди проходных (русский осетр) и пресноводных рыб (чешуйчатый карп) в экспериментальных условиях были поставлены 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 от 18,0 до 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 каждую часть аквариума заливали отстоянную речную воду с определенной 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 и постоянной концентрации 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 [3]. Количество гемоглобина в крови определяли методом спектрофотометрии, процентное содержание воды в крови - при помощи взвешивания 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 путем высушивания до постоянного веса 1 г сырой навески мышечной ткани рыб. Для определения коллоидной устойчивости сывороточных белков крови рыб использовали широко распространенный в практике микрометод Вельтмана [4].

Всего было подвергнуто анализу 52 экз. молоди карпа и 49 экз. молоди осетра. Результаты анализа обрабатывали 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, 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 рыб, 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

Кар п

Ка 1,8 0,9 1,0 1,2 1,7 2,3 1,0

К 0,4 1,5 4,9 3,2 3,1 3,2 2,6

Осетр

Ка 2,1 0,8 1,6 1,0 1,3 1,9 1,3

К 0,4 1,6 3,4 2,6 2,5 2,2 2,4

Опыт 1. В головную камеру аквариума заливали речную воду, разбавленную в отношении 1 : 100 дистиллированной водой, а в туловищной камере находилась обычная речная вода. По результатам анализа в головной части аквариума содержание натрия (0,20 мг/л) и калия (0,05 мг/л) было в 98 раз ниже, чем в обычных для рыб условиях.

У карпа в первые два часа наблюдений отмечено значительное (р < 0,05) понижение концентрации натрия в сыворотке крови - до 1,2 г/л, затем в течение последующих четырех часов его концентрация медленно возрастала, приближаясь к норме, но не достигая её. К 12 часу эксперимента уровень натрия в сыворотке крови стабилизировался и оставался относительно неизменным до конца опыта, составляя 78,8 % от его содержания в контроле (рис. 1).

-№ - осетр -№ - карп К - осетр К - карп

Продолжительность эксперимента, ч

Рис. 1. Динамика концентрации натрия и калия в крови карпа и осетра при содержании головной части рыб в аквариуме с 98-кратно уменьшенной концентрацией ионов в воде

Содержание калия в сыворотке крови карпа в первые 4 часа медленно понижалось до 0,30 г/л, т. е. в 1,2 раза (р > 0,05), в последующие 4 часа также медленно возрастало до относительно стабильной величины (0,34 г/л), которая сохранялась до конца эксперимента (рис. 1).

Концентрация натрия в сыворотке крови осетра, как и у карпа, в первые два часа быстро снижалась (в 1,3 раза) по сравнению с контролем (р < 0,05), затем, в течение последующих двух часов, она продолжала снижаться, но уже медленнее, а к 6 часу эксперимента уровень ионов натрия в крови стабилизировался и оставался относительно постоянным (1,7 г/л) до конца эксперимента (рис. 1).

Динамика калия в сыворотке крови осетра в первые часы эксперимента была противоположна динамике натрия. У рыб в течение первых 3 часов концентрация калия в крови несколько увеличилась (в 1,2 раза) по сравнению с контролем (р > 0,05), в дальнейшем его уровень постепенно понижался и к 10 часу эксперимента стабилизировался (0,36 г/л), почти достигнув его содержания в контроле.

В жабрах карпа и осетра концентрация калия в течение всего эксперимента оставалась неизменной, а содержание натрия изменялось, но эти изменения у карпа и осетра носили различный характер.

У карпа в течение первых 6 часов наблюдалось медленное снижение уровня натрия в жабрах (в 1,3 раза по сравнению с контролем (при р < 0,05)), а в течение последующих 6 часов его концентрация также медленно возрастала, почти достигая первоначальной величины (рис. 2).

ь

а

- Ка - карп Ка - осетр

0 2 4 6 8 10 12

Продолжительность эксперимента, ч

Рис. 2. Содержание натрия в жабрах при экспозиции головной части тела рыб в воде с уменьшенной в 98 раз концентрацией ионов по сравнению с контролем

У осетра в первые 4 часа наблюдалось интенсивное (р < 0,05) снижение концентрации натрия в жабрах (в 1,5 раза), а затем более плавное повышение в течение 4 часов. К 8 часу эксперимента содержание натрия в жабрах почти достигло первоначальной величины и оставалось таким до конца эксперимента (рис. 2).

В мышцах и кишечнике молоди рыб за время эксперимента не было выявлено заметных изменений. Количество натрия и калия в этих органах оставалось относительно постоянным.

Концентрация натрия в печени карпа за 24 часа эксперимента снизилась на 1,2 %, а у осетра на 1,4 %, что оказалось ниже статистически достоверного уровня (р > 0,05). Содержание калия в печени постепенно снижалось, и в конце эксперимента его уровень у карпа упал на 2,8 %, а у осетра - на 3,1 % (р < 0,05) по сравнению с контролем.

В почках молоди карпа и осетра в конце эксперимента содержание натрия и калия оказалось близким к их уровню в контроле.

Содержание молоди рыб головной частью тела в аквариуме с низкой концентрацией ионов натрия и калия позволяет выявить некоторые видовые особенности адаптационных механизмов сорбции этих элементов.

Более значительные изменения концентрации натрия в сыворотке крови карпа в первые часы эксперимента объясняются тем, что у осетра, как проходной рыбы, уже в раннем возрасте достаточно хорошо развит осморегуляторный механизм, позволяющий быстро адаптироваться к меняющемуся уровню концентрации солей в воде. При исследовании горбуши [6] было показано, что перестройка механизма осморегуляции у проходных рыб может происходить уже в первые часы после перемещения рыбы из одной среды в другую.

Содержание калия в сыворотке карпа и осетра колебалось незначительно и в целом соответствовало его уровню в контроле. Не отмечено также значительных изменений концентрации калия в жабрах. Все это свидетельствует о том, что поступление калия в организм рыб через жабры осуществляется в очень ограниченном количестве. При исследовании других рыб [7] было установлено, что калий поступает в тело рыб не парэнтеральным путем, а с пищей или с заглатываемой водой.

Эксперимент позволил выяснить и еще один интересный факт - рыбы продолжают сорбировать ионы натрия через жабры даже в условиях 98-кратного снижения его концентрации в воде, о чем свидетельствует его близкий к контролю уровень в жабрах и сыворотке крови в течение всего эксперимента.

Достижение гомеостаза в условиях опыта возможно лишь за счет перераспределения элементов внутри организма рыб. Отмеченное нами снижение в печени рыб концентрации натрия и калия в конце опыта служит подтверждением сведений о том, что печень, выполняя множество функций в организме, может служить и органом, в котором резервируются, а при необходимости расходуются макро- и микроэлементы [8].

В конце эксперимента отмечены некоторые изменения физиологических показателей рыб. В крови молоди карпа и осетра показатель коллоидной устойчивости сывороточных белков сместился влево, в сторону укорачивания ленты Вельтмана (у карпа с 3,8 до 3,3, у осетра -с 4,2 до 4,0), что свидетельствует о незначительных изменениях (р > 0,05) электролитического потенциала в сыворотке крови (табл. 2).

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 Контроль Опыт 1 Опыт 2

Содержание воды в мышцах, % 76,4 ± 8,3 76,8 ± 8,7 75,5 ± 9,1 78,2 ± 8,3 79,0 ± 7,9 77,8 ± 8,2

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

Коллоидная устойчивость сывороточных белков 3,8 ± 0,4 3,3 ± 0,4 4,1 ± 0,4 4,2 ± 0,5 4,0 ± 0,5 4,4 ± 0,5

Количество воды в крови, % 82,2 ± 9,2 81,8 ± 9,4 82,5 ± 8,8 83,1 ± 7,9 82,8 ± 9,4 83,6 ± 9,6

Концентрация гемоглобина в крови у карпа снизилась с 5,8 до 5,0 г%; у осетра с 6,1 до 5,8 г%. Количество воды в крови снизилось у карпа на 0,4 %; у осетра - на 0,8 %. Во всех случаях различия не достигали статистически достоверных величин. Процентное содержание воды в мышцах практически осталось без изменений (табл. 2).

Стабильное содержание ионов натрия в крови и жабрах молоди рыб свидетельствует о пути поступления его в организм рыб и экскреции через жабры.

Опыт 2. Молодь карпа и осетра помещали головной частью в камеру 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 биосорбции и экскреции элементов определяются специфическими свойствами кожи и видовыми особенностями рыб, а также зависят от возраста рыб, концентрации и природы сорбируемых веществ, времени экспозиции, температуры и других факторов среды [9]. У рыб основными каналами проникновения веществ через кожу следует считать межклеточные пространства и неклеточные образования кожи [10].

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, печени, кишечнике и почках по сравнению с контролем.

В коже рыб отмечено повышение концентрации ионов натрия и калия, причем уровень натрия у карпа в коже (в 1,6 раза) и осетра (в 1,5 раза) достигал статистически достоверных различий по сравнению с контролем (рис. 3). Напротив, количество калия в коже у карпа и осетра изменялось незначительно.

-К - карп -К - осетр № - карп № - осетр

3

2,5

2

и 1,5

1

0,5

0

0 6 12 18 24

Продолжительность эксперимента, ч

Рис. 3. Содержание натрия и калия в коже рыб при экспозиции туловищной части тела в воде 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) накопление натрия (р > 0,05). Количество калия при этом оставалось неизменным. Концентрация натрия в крови несколько (1,1 раза) возрастает, не достигая статистически достоверного уровня.

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 - мышцы осетра (0,4 %). Количество воды в крови, напротив, возрастает у карпа на 0,3 %, а у осетра - на 0,5 % (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.

Изменения ионного и водного состава сыворотки крови рыб подтверждаются и изменениями в составе сывороточных белков и их электролитического потенциала. Показатель коллоидной устойчивости сывороточных белков у карпа и осетра смещается вправо (лента Вельтма-на) на 0,3-0,1 соответственно (р > 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 концентрации ионов натрия и калия в воде способствуют изменению активности сорбции этих элементов.

2. Поступление ионов натрия (без учета пищи) в основном осуществляется через жабры, о чем свидетельствует достаточно интенсивное накопление их в жабрах и сыворотке крови рыб в условиях низкой концентрации ионов в воде.

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 низкой концентрации ионов натрия и калия в воде они могут перераспределяться в организме рыб за счет депонируемых элементов в печени и мышцах.

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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Наточин Ю. В. Новые данные о физиологических механизмах водно-солевого гомеостаза у рыб различной экологии // Экологическая физиология и биохимия рыб. Ч. 2: тез. докл. VII Всесоюз. конф. -Киев: Наук. думка, 1982. - С. 58-59.

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. Поляков В. Н., Максимович А. А., Бойков П. Я. Консерватизм перестройки осморегуляторных механизмов у мигрирующей на нерест горбуши // Экологическая физиология и биохимия рыб. Т. II: тез докл. VII Всесоюз. конф. - Ярославль, 1989. - С. 93-94.

7. Флейшман Д. Г. Закономерности обмена щелочных элементов и их радиоактивных изотопов у водных животных в естественных экосистемах: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. - Л., 1979. - 40 с.

8. Романенко В. Д. Метаболический механизм адаптации пресноводных рыб к концентрационным изменениям кальция в воде // Экологическая физиология и биохимия рыб. Б. 2: тез. докл. V Всесоюз. конф. - Киев: Наук. думка, 1982. - С. 137-138.

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

10. Зубченко И. А. Биосорбция у водных животных // Гидробиологический журнал. - 1977. - Т. 13, вып. 4. - С. 60-67.

Статья поступила в редакцию 26.02.2010

SODIUM AND POTASSIUM BIOSORPTION IN YOUNG CARPS AND STURGEONS IN EXPERIMENTAL CONDITIONS

V. V. Andreev

The mechanism of biosorption and excretion of sodium and potassium ions was studied in experimental conditions using two-chamber aquariums. The inflow of sodium ions (excluding meals) primarily occurs through the gills. Potassium ions, apparently, come into fish’s organism mainly with food. In ana-dromous fish the adaptation to changing salt concentrations is usually faster than in freshwater fish. It is due to the fact that such fish have a more advanced osmoregulation mechanism. If sodium concentration is reduced 100 times in water, its ions can be extracted from the depot (liver, muscles) and be sent to other organs. Cutaneous coverings of carps and sturgeons have a weak permeability for sodium and potassium. Sodium excretion in carps and sturgeons is mainly done by gills and kidneys, and potassium - by kidneys and intestines.

Key words: ions, sorption, density, contents, migration, exposure, blood, gills, liver, intestine, muscle, osmosis, homeostat.