Оценка адаптационных реакций на хроническое радиационное воздействие у рыб реки Теча

Вестник Челябинского государственного университета. 2015. № 21 (376). Биология. Вып. 3. С. 70-77.

УДК 597.5:539.1 ББК 28.04

ОЦЕНКА АДАПТАЦИОННЫХ РЕАКЦИЙ НА ХРОНИЧЕСКОЕ РАДИАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ У РЫБ РЕКИ ТЕЧА

12 2 2 12 Е. А. Егорейченков' , Д. И. Осипов , Е. А. Пряхин , А. В. Аклеев '

ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный университет», Челябинск, Россия

2ФГБУН «Уральский научно-практический центр радиационной медицины» ФМБА России, Челябинск, Россия

Оценку адаптационных реакций на хроническое радиационное воздействие у рыб р. Теча проводили по изменению окраски плавников. Изменение насыщенности окраски кожных покровов у рыб обусловлено содержанием в них каротиноидов — мощных биологических антиоксидантов. Проведено исследование влияния мощности дозы ионизирующего излучения на насыщенность окраски плавников у окуня речного (Percafluviatilis), плотвы обыкновенной (Rutilus rutilus) и щуки (Esox lucius) из радиоактивно загрязнённой р. Теча. Регрессионный анализ показал, что насыщенность окраски плавников у рыб возрастает с повышением уровня радиационного воздействия. Усиление насыщенности окраски плавников может указывать на повышение антиоксидантной защиты у рыб как адаптивной реакции на хроническое радиационное воздействие.

Ключевые слова: радиация, р. Теча, окунь, плотва, щука, адаптация, каротиноиды.

Введение. Река Теча, протекающая по террито -рии Челябинской и Курганской областей, в значительной степени загрязнена радионуклидами. В результате деятельности ПО «Маяк» в 19491956 гг. в р. Течу поступали регламентные и аварийные сбросы жидких радиоактивных отходов. В настоящее время содержание 9^г в воде р. Течи варьирует от 5 Бк/л в низовьях реки до 40 Бк/л в верхнем течении реки, 137Cs — от фоновых уровней до 0,5 Бк/л, трития — от 100 до 450 Бк/л [14]. Таким образом, биота р. Течи подвергается хроническому радиационному воздействию в течение более 60 лет. Наиболее радиочувствительными среди гидробионтов являются рыбы. Очень важным аспектом оценки экологического риска хронического радиационного воздействия на рыб является оценка адаптивных реакций.

Характер окраски плавников рыб обусловлен наличием ряда пигментов, основными из которых являются каротиноиды — органические пигменты, имеющие окраску от жёлтого до красного. Каротиноидные пигменты не вырабатываются непосредственно в организме рыбы, а усваиваются из пищи, и их накопление зависит от гормонального статуса животного, уровня стресса, а также от содержания их в кормовых объектах. Каротиноиды исполняют ряд важных функций в организме животных, помимо пигментной — выступают в роли антиоксидантов (наиболее мощной антиоксидантной активностью среди каротиноидов обладает астаксантин), участвуют в процессах липидного обмена, обладают

провитамин-А-активностью [12; 13]. Способность к проявлению антиоксидантной активности позволяет предположить участие каротиноидов в процессах адаптации животных к стрессовым условиям, в том числе перенесению оксидативно-го стресса во время миграций и нереста, а также действию ионизирующего излучения. Известно также, что увеличение концентрации каротиноидов в икре приводит к повышению выживаемости мальков рыб в условиях недостатка кислорода. Поэтому целью настоящей работы было изучение насыщенности окраски плавников у трёх аборигенных видов рыб р. Течи: окуня речного (Perca fluviatilis), плотвы обыкновенной (Rutilus rutilus) и щуки (Esox lucius) как показателя адаптивной реакции на радиационное воздействие.

Материалы и методы исследования. Вылов рыбы проводили на трёх станциях р. Течи (рисунок): станция R^ расположена в верхнем течении реки, на 5 км ниже плотины П-11, входящей в систему гидросооружений Теченского каскада водоёмов, станция ЯТ2 характеризовала участок, расположенный в среднем течении реки, приблизительно на 100 км ниже плотины П-11 по течению, и станция ЯТ3 была расположена в нижнем течении реки, на расстоянии около 200 км от плотины П-11.

В качестве водотока сравнения использовали р. Миасс. Эта река, так же как и р. Теча, относится к гидрографической сети Обь-Иртышской системы. Содержание радионуклидов в воде р. Миасс находится на фоновом уровне. Согласно прове-

Район исследований и станции отбора проб на р. Теча и Миасс

дённым ранее исследованиям, гидрохимические показатели воды р. Миасс и Теча в целом сопоставимы. Всё это позволяет использовать р. Миасс в качестве водотока сравнения для оценки влияния радиационного фактора на биоту.

Лов рыбы на всех станциях проводили с помощью электроудочки SAMUS 725МР, с катодом длиной 1 м, диаметром сачка-анода — 0,6 м, расстояние между катодом и анодом было 4-7 м. Использовали следующие параметры электрического разряда для лова рыбы: весной мощность — 80-120 Вт, частота 50-70 Гц; летом мощность — 100-150 Вт, частота — 60-80 Гц.

Концентрация различных фракций каротино-идов в тканях животных может быть определена с помощью физико-химических методов, таких как оптическая фотометрия и хроматография, однако их использование связано с рядом сложностей и ограничений, особенно при работе в по -левых условиях. Нами использован метод экспресс-оценки содержания каротиноидов в плавниках рыб, основанный на фотографировании рыб и последующем измерении хроматических характеристик (окраски) плавников программными методами.

Фотографирование рыб осуществляли в полевых условиях непосредственно после вылова. Рыбу помещали на ровную поверхность с нейтральным цветом (белая бумага) и закрепляли

с помощью булавок. Плавники были максимально развёрнуты и закреплены.

Фотографирование проводили с помощью камеры Sony SLT A-77 (Sony, Япония) с объективом Sony SAM 18-135 3,5-5,6 DT (Sony, Япония) и вспышки Sony HVL-43 AM (Sony, Япония). Для сохранения изображений использовали формат .arw. Затем проводили анализ изображения. Определяли насыщенность жёлто-красной окраски с помощью программного пакета Adobe Photoshop (CS6, Япония) [http://www. adobe. com/products/photoshop-lightroom.html?promoid= KAUCD].

При проведении статистического анализа использовали программное обеспечение R [15]. Для оценки статистической значимости отличий интересующей группы от контроля применяли критерий %2 Краскела — Уоллиса [11]. Оценку влияния мощности дозы облучения на исследуемые показатели у рыб проводили с использованием регрессионного анализа.

Результаты исследования. Результаты оценки окраски плавников у плотвы, окуня и щуки приведены в табл. 1-3. При анализе значений усреднённого цвета плавников плотвы, выловленной весной 2013 г. (проанализированы показатели 35 рыб), обнаружено статистически значимое увеличение насыщенности жёлто-красной окраски анальных плавников рыб, выловленных

на станциях RТ1 и RТ2 по сравнению с рыбами, выловленными на контрольной станции РМ (р = 0,036 и р = 0,0089 соответственно) (табл. 1). Насыщенность окраски грудных и анальных плавников плотвы со станции RТ2 также была достоверно выше, чем у рыб со станции RТ3 (р = 0,027).

Увеличение насыщенности жёлто-красной окраски плавников рыб, выловленных на станциях RТ1 и RТ2, свидетельствует о более высоком уровне накопления каротиноидов.

При сравнении цвета плавников плотвы (произведены замеры для 46 рыб), выловленной в августе 2013 г., обнаружены значительные отличия между рыбами со станции ЯТ1 от рыб с контрольной станции РМ и станции ЯТ3 — насыщенность цвета плавников у плотвы, выловленной в верховьях р. Течи, выше, что говорит о повышении

концентрации пигментов, вызывающих окраску плавников (см. табл. 1).

Анализ характера окраски плавников окуня по -казал многочисленные достоверные отличия насыщенности жёлто-красной окраски у рыб с разных станций (проанализировано 48 рыб из весеннего лова и 60 из летнего) (табл. 2). У рыб, выловленных весной на станции RТ1, отмечается значительное увеличение насыщенности окраски плавников по сравнению с животными, выловленными на станциях RТ3 и РМ. Следует отметить, что похожие изменения окраски плавников у окуня были выявлены и летом 2013 г.

В табл. 3 представлены результаты анализа цвета плавников у щуки в 2013 г. Как видно из таблицы, наиболее выраженные изменения в виде повышения насыщенности окраски плавников, наблюдались у щуки со станции РТ 2. Такие из-

Таблица 1

Показатели насыщенности жёлто-красного цвета плавников у плотвы, 2013 г.

Станция Сезон Грудной плавник Брюшной плавник Анальный плавник

РМ 10,2±1,6 11,9±1,4 10±1,3

ЯТ3 8,1±0,6

ЯТ2 Нерест 11±1

ЯТ1 9,3±1,1

Все станции 9,5±0,6 13,6±0,9 13,2±0,9

РМ 5,8±0,9 12,8±1,6 12,2±1,4

ЯТ3 7±0,9

ЯТ2 Нагул 9,9±0,5

ЯТ1 12,5±0,9

Все станции 8,8±0,5 15±0,8 15±0,8

РМ 7,4±0,9 12,4±1,1 11,1±1

ЯТ3 7,5±0,6

ЯТ2 2013 10,2±0,5

ЯТ1 11±0,8

Все станции 9,1±0,4 14,4±0,6 14,3±0,6

Примечание. Здесь и далее приведены средние значения и их ошибки; в скобках приведены значения X2 Краскела — Уоллиса и уровень значимости различий показателей по сравнению с рыбами со станции РМ; полужирным выделены статистически значимые различия.

Таблица 2

Показатели насыщенности жёлто-красного цвета плавников у окуня, 2013 г.

Станция Сезон Грудной плавник Брюшной плавник Анальный плавник

РМ 3,6±0,9 21,3±2,4 16,9±2

RТ3 2±1,2

RТ2 Нерест 5,5±0,9

RТ1 9,3±1,3

Все станции 5,6±0,7 20,2±1,4 17,5±1,4

РМ 0,3±0,4 16,7±1,9 14,3±1,9

RТ3 -0,3±0,4

RТ2 Нагул 1,5±0,3

RТ1 7,9±1,2

Все станции 1,5±0,5 15,5±1,2 13,4±1

РМ 1,3±0,5 18,7±1,5 15,4±1,4

RТ3 0,1±0,4

RТ2 2013 3,7±0,6

RТ1 8,5±0,9

Все станции 3±0,5 17,6±0,9 15,2±0,8

Таблица 3

Показатели насыщенности жёлто-красного цвета плавников у щуки, 2013 г.

Станция Сезон Грудной плавник Брюшной плавник Анальный плавник

РМ 8,9±1,4 8,9±1,4 8±1,3

RТ3 11±1,2

RТ2 Нерест 15,9±1,7

RТ1 7,9 ±1,1

Все станции 11,3 ±0,9 11,1±0,8 11,4 ±0,9

РМ 7±1 9,1±1,4 6,8±1,2

RТ3 - - -

RТ2 Нагул - - -

RТ1 7,9 ±1

Все станции 7,4±0,7 9,5±1 6,7±0,8

Окончание табл. 3

Станция Сезон Грудной плавник Брюшной плавник Анальный плавник

РМ 7,7±0,8 9±1 7,3 ±0,9

КГ3 11±1,2

КГ2 2013 15,9±1,7

ЯТ1 7,9 ±0,8

Все станции 9,9 ±0,7 10,5±0,6 9,7±0,7

Таблица 4

Результаты регрессионного анализа зависимости показателей насыщенности окраски плавников от суммарной мощности дозы

на основании данных, полученных в 2013 г.

Показатель Свободный член, а Коэффициент наклона, Ь Значимость, р К2 F Количество степеней свободы

Насыщенность окраски грудных плавников 6,1 0,017 3,3Е-04 0,06 13,4 206

Насыщенность окраски анальных плавников 12,7 0,017 6,3Е-03 0,03 7,61 236

Насыщенность окраски брюшных плавников 14 0,018 8,1Е-03 0,03 7,14 241

менения можно связывать с увеличением содержания каротиноидов в плавниках.

Для выяснения влияния радиационного фактора на цвет плавников был выполнен регрессионный анализ зависимости анализируемых показателей от суммарной мощности дозы (мощности дозы внутреннего и внешнего облучения). В анализе использовали суммарные данные, полученные в исследованиях 2013 г. для всех исследуемых видов рыб и со всех станций. Регрессионный анализ проводили с использованием линейной модели (У = а + Ь • X), где в качестве аргумента использовали суммарную мощность дозы (мГр/сут).

Результаты регрессионного анализа приведены в табл. 4. Выявлено достоверное влияние радиационного фактора с разной степенью значимости для следующих показателей: насыщенность жёл-

то-красной окраски грудных плавников, анальных плавников, брюшных плавников.

Практически во всех случаях наилучшим образом зависимость окраски от мощности дозы описывают модели для грудных плавников рыб.

Жёлто-красная окраска плавников рыб обусловлена содержанием в них каротиноидов — мощных биологических антиоксидантов. Регрессионный анализ показал, что насыщенность окраски плавников у рыб возрастает с повышением уровня радиационного воздействия.

Таким образом, выявленное в данной работе усиление насыщенности окраски плавников у рыб р. Течи может быть интерпретировано как повышение антиоксидантной защиты и проявление адаптационной реакции на хроническое радиационное воздействие.

Список литературы

1. Берг, Л. С. Рыбы пресных вод СССР и сопредельных стран. Ч. 2 / Л. С. Берг. - М. ; Л., 1949.

2. Житенёва, Л. Д. Эволюция крови / Л. Д. Житенёва, Э. В. Макаров, О. А. Рудницкая. - Ростов н/Д., 2001. - 168 с.

3. Методы исследования токсичности на рыбах : пер. с нем. / под ред. В. И. Лукьяненко. - М. : Агро-промиздат, 1985. - 119 с.

4. Микулин, А. Е. Функциональное значение пигментов и пигментации в онтогенезе рыб : автореф. дис. ... д-ра биол. наук / А. Е. Микулин. - М., 1998.

5. Правдин, П. Ф. Руководство по изучению рыб / П. Ф. Правдин. - М. : Пищевая про-сть, 1966. - 376 с.

6. Токсикозы рыб с основами патологии : справ. кн. / М-во сел. хоз-ва РФ, Федер. агентство по рыболовству, Гос. НИИ озер. и реч. рыб. хоз-ва (ГосНИОРХ). - СПб. : ГосНИОРХ, 2006. - 179 с.

7. Трапезников, А. В. Радиоэкологическая характеристика речной системы Теча-Исеть / А. В. Трапезников, В. Н. Позолотина, И. В. Молчанова, П. И. Юшков [и др.] // Экология. - 2000. - № 4. -С. 248-256.

8. CIE. 1978. Recommendations on uniform color spaces, color difference equations, psychometric color terms: Supplement № 2 to CIE Publication № 15 (E-1.3.1) 1971/ (TC-1.3). - Bureau Central de la CIE, Paris, France.

9. Degteva, M. O. Re-evaluation of waterborne releases of radioactive materials from the «Mayak» Production Association into the Techa River in 1949-1951 / M. O. Degteva, N. B. Shagina, M. I. Vorobiova, L. R. Anspaugh, B. A. Napier // J. Health Physics. - 2012. - Vol. 102, iss. 1. - P. 25-38.

10. Hall, E. J. Radiobiology for the Radiologist / E. J. Hall, A. J. Giaccia. - 6th ed. - Lippincott Williams & Wilkins, 2006. - 546 p.

11. Hollander, M. Nonparametric Statistical Methods / M. Hollander, D. A. Wolfe. - 2nd ed. - John Wiley & Sons, 1999. - 816 p.

12. Opinion of the Scientific Panel on Additives and Products or Substances used in Animal Feed on the request from the European Commission on the safety of use of colouring agents in animal nutrition // The EFSA Journal. - 2005. - Vol. 291. - P. 1-40.

13. Papa, T. B. Astaxanthin diferulate as a bifunctional antioxidant / T. B. Papa, V. D. Pinho, E. S. do Nasci-mento [et al.] // Free Radical Research. - 2015. - Vol. 49. - P. 102-111.

14. Pryakhin, E. A. Characterization of the current status of ichthyofauna in the Techa River [Электронный ресурс] / E. A. Pryakhin, G. Rudolfsen, H. C. Teien, G. A. Tryapitsina, A. V. Akleyev // Third International Conference on Radioecology and Environmental Radioactivity, 7-12 September, 2014, Barcelona, Spain. -URL: https://intranet.pacificomeetings.com/amsysweb/publicacionOnline.jsf?id=146

15. Core Team R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing [Электронный ресурс] // The R Project for Statistical Computing. - Vienna, 2012. - URL: http:// www.R-proj ect. org

16. Житинёва, Л. Д. Атлас нормальных и патологических изменённых клеток крови рыб / Л. Д. Жи-тинёва, Т. Г. Полтавцева, О. А. Рудницкая. - Ростов н/Д., 1989. - 112 с.

Сведения об авторах

Егорейченков Евгений Александрович — младший научный сотрудник экспериментального отдела Уральского научно-практического центра радиационной медицины, аспирант второго года обучения кафедры радиационной биологии Челябинского государственного университета, Челябинск, Россия. evgenyi_eg@mail.ru

Осипов Денис Иванович — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник экспериментального отдела Уральского научно-практического центра радиационной медицины, Челябинск, Россия. osipov_d@list.ru

Пряхин Евгений Александрович — доктор биологических наук, начальник экспериментального отдела Уральского научно-практического центра радиационной медицины, Челябинск, Россия. pryakhin@yandex.ru

Аклеев Александр Васильевич — доктор биологических наук, профессор, директор Уральского научно-практического центра радиационной медицины, заведующий кафедрой радиационной биологии Челябинского государственного университета, Челябинск, Россия. akleyev@urcrm.chel.su

76

E. A. Егореuценков, ff. H. OcunoB, E. A. npnxm, A. B. AmeeB

Bulletin of Chelyabinsk State University. 2015. No. 21 (376). Biology. Issue 3. Pp. 70-77.

EVALUATION OF ADAPTIVE RESPONSE TO CHRONIC RADIATION EXPOSURE IN FISH IN TECHA RIVER

E. A. Egoreychenkov

Urals Research Center for Radiation Medicine, Chelyabinsk State University, Chelyabinsk, Russia. evgenyi_eg@mail.ru

D.I. Osipov

Urals Research Center for Radiation Medicine, Chelyabinsk, Russia. osipov_d@list.ru

E. A. Pryakhin

Urals Research Center for Radiation Medicine, Chelyabinsk, Russia. pryakhin@yandex.ru

A. V. Akleyev

Urals Research Center for Radiation Medicine, Chelyabinsk State University, Chelyabinsk, Russia. akleyev@urcrm.chel.su

Evaluation of adaptive responses to chronic radiation exposure in fish in Techa river was performed by color changing of the fins. Saturation change of skin color in fish due to their content of carotenoids — powerful biological antioxidants. The influence of the dose of ionizing radiation on the color saturation of perch (Perca fluviatilis), roach (Rutilus rutilus) and pike (Esox lucius) fins from radioactive contaminated Techa river was investigated. Regression analysis showed that the color saturation of fish fins increases with increased radiation exposure. Increasing saturation of color fins may indicate an increase antioxidant protection in fish as an adaptive response to chronic radiation exposure.

Keywords: radiation, river Techa, perch, roach, pike, adaptation, carotenoids.

References

1. Berg L.S. Ryby presnykh vod SSSR i sopredel'nykh stran. Chast' 2 [Freshwater fish of USSR and neighboring countries. Part 2]. Moscow, Leningrad, 1949. (In Russ.).

2. Zhiteneva L.D., Makarov Ye.V., Rudnickaja O. A. Evolyutsiya krovi [Blood evolution]. Rostov-na-Donu, 2001. 168 p. (In Russ.).

3. Metody issledovaniya toksichnosti na rybakh [Methods of toxicity studies in fish]. Moscow, Agropromiz-dat Publ., 1985. 119 p. (In Russ.).

4. Mikulin A.E. Funktsional'noye znacheniye pigmentov i pigmentatsii v ontogeneze ryb [Functional significance pigmetnov and pigmentation in the ontogeny of fishes. Abstract of thesis]. Moscow, 1998. (In Russ.).

5. Pravdin P.F. Rukovodstvopo izucheniyu ryb [Fish study Guide]. Moscow, Food Industry Publ., 1966. 376 p. (In Russ.).

6. Toksikozy ryb s osnovamipatologii. Spravochnaja kniga [Toxicoses of fishes with pathology bases. Reference book]. Sankt-Peterburg, GosNIORH Publ., 2006. 179 p. (In Russ.).

7. Trapeznikov A.V., Pozolotina V.N., Molchanova I.V., Yushkov P.I., Trapeznikova V.N., Karavaeva E.N., Chebotina M.Ya., Aarkrog A., Dal'gaard H., Nil'sen S.P., Chen K. Radioekologicheskaya harakteristika rech-noy sistemy Techa-Iset' [Radioecology characteristics of the river system Techa-Iset]. Ekologiya [Ecology], 2000, no. 4. pp. 248-256. (In Russ.).

8. CIE. 1978. Recommendations on uniform color spaces, color difference equations, psychometric color terms. Supplement No. 2 to CIE Publication No. 15 (E-1.3.1) 1971/ (TC-1.3). Bureau Central de la CIE, Paris, France.

9. Degteva M.O., Shagina N.B., Vorobiova M.I., Anspaugh L.R., Napier B.A. Re-evaluation of waterborne releases of radioactive materials from the «Mayak» Production Association into the Techa River in 1949-1951. Journal Health Physics, 2012, vol. 102., iss. 1, pp. 25-38.

10. Hall E.J., Giaccia A.J. Radiobiology for the Radiologist. 6th ed. Lippincott Williams & Wilkins Publ., 2006. 546 p.

11. Hollander M., Wolfe D.A. Nonparametric Statistical Methods. 2nd ed. John Wiley&Sons Publ., 1999. 816 p.

12. Opinion of the Scientific Panel on Additives and Products or Substances used in Animal Feed on the request from the European Commission on the safetyof use of colouring agents in animal nutrition. The EFSA Journal, 2005, vol. 291, pp. 1-40.

13. Papa T.B., Pinho V.D., do Nascimento E.S., Santos W.G., Burtoloso A.C., Skibsted L.H., Cardoso D.R. Astaxanthin diferulate as a bifunctional antioxidant. Free Radical Research, 2015, vol. 49, pp. 102-111.

14. Pryakhin E.A., Rudolfsen G., Teien H.C., Tryapitsina G.A, Akleyev A.V. Characterization of the current status of ichthyofauna in the Techa River. Third International Conference on Radioecology and Environmental Radioactivity. 7-12 September, 2014, Barcelona, Spain. Available at: https://intranet.pacificomeetings.com/am-sysweb/publicacionOnline.jsf?id=146, accessed 28.01.2015.

15. A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, 2012. Available at: http://www.R-project.org, accessed 08.11.2015.

16. Zhiteneva L.D., Poltavtseva T.G., Rudnitskaya O.A. Atlas normal'nyh i patologicheskih izmenjonnyh kletok krovi ryb [Atlas of normal and abnormal blood cells of fish]. Rostov-na-Donu, 1989. 112 p.