Морфологічні та біохімічні показники прісноводних риб за дії іонів кобальту

Abstract

Важкі метали є одними з основних забруднювачів довкілля через їхню токсичність, здатність зберігатися у воді та накопичуватися у водних організмах. Вони потрапляють у навколишнє середовище як з природних джерел, таких як руйнування гірських порід і виверження вулканів, так і внаслідок діяльності людини, зокрема через видобуток корисних копалин, з промислових та сільськогосподарських підприємств. Метали, як біологічно необхідні, так токсичні, у підвищених концентраціях є небезпечними через їх здатність до акумулювання, біомагніфікації та високу біологічну активність для гідробіонтів. Через це кількість металів у компонентах гідроекосистем має постійно моніторитись. Кобальт належить до важких металів і є важливим мікроелементом. Він входить до складу вітаміну B12 і виступає як кофактор для багатьох ензимів. Кобальт відіграє важливу роль у багатьох метаболічних процесах та взаємодіє з ключовими біологічно активними речовинами, такими як піридоксин, полісахариди, дегідроаскорбінова кислота, рибофлавін та піридинові нуклеотиди. Як один із вітамінів групи B, Вітамін B12 (кобаламін) є критично важливим для клітинного метаболізму, зокрема для синтезу ДНК, еритропоезу та функціонування нервової системи. Кобальт у природних водних середовищах зустрічається в невеликих концентраціях. Зазвичай у незабруднених природних водах концентрація кобальту не перевищує кількох мікрограмів на кубічний дециметр. Однак, у разі виникнення несприятливих умов, його вміст у поверхневих водах може значно зростати, спричиняючи його накопичення у компонентах гідроекосистем та здійснювати токсичний вплив на водні організми Оцінка впливу іонів металів на водні екосистеми за допомогою біологічних показників є особливо інформативною. Вона дозволяє виявляти зміни з високою точністю та прогнозувати подальші наслідки. Крім того, такий підхід є економічно вигіднішим порівняно з традиційними фізикохімічними методами аналізу води. Тому мета дисертаційної роботи полягала у визначенні окремих морфологічних показників, а також біохімічного профілю крові, активності низки ферментів у прісноводних риб за дії сублетальних концентрацій іонів кобальту. З’ясувати накопичення досліджуваних іонів металу в тканинах риб та їх вплив на зазначені показники. У модельних умовах було досліджено морфометричні та біохімічні показники карася сріблястого (Carassius gibelio Bloch.) та щуки звичайної (Esox lucius L.) за дії сублетальних концентрацій іонів Co2+ (0,1 та 0,25 мг/дм3 ). Час утримання риб у дослідних умовах становив 14 діб. Експериментальні дослідження проведені в Тернопільському національному педагогічному університеті імені Володимира Гнатюка упродовж 2021–2025 рр. У результаті аналізу морфометричних характеристик встановлено, що у досліджуваних видів риб значення більшості розмірних показників не відрізняються від контрольних. Проте, у карася за дії 0,1 мг/дм³ кобальту відзначено погіршення вгодованості та зміни пропорцій тіла (зниження коефіцієнтів великоголовості та широкоспинності). Спостерігалася також тенденція до зменшення печінково-соматичного індексу. Для щуки характерні інші реакції: при 0,1 мг/дм³ кобальту змінювалися розміри голови та анального плавця. За вищої концентрації (0,25 мг/дм³) відбувалося збільшення довжини плавців та антедорсальної/антепектральної відстаней. Важливою відмінністю від карася є зростання маси печінки у щуки з підвищенням концентрації кобальту, що відобразилося у збільшенні печінково-соматичного індексу та індексів обхвату/прогинності. Однак, як і у карася, коефіцієнти вгодованості та широкоспинності у щуки знижувалися за дії кобальту. Проведені дослідження показали, що зміни гематологічних показників крові риб є видоспецифічними і прямо залежать від концентрації іонів металу у водному середовищі. Хоча сублетальні концентрації кобальту не впливали на його вміст у крові ні карася, ні щуки, варто зазначити, що у карася рівень кобальту в крові був приблизно вдесятеро меншим, ніж у щуки. У карася зростання кількості еритроцитів, гемоглобіну та значення гематокриту спостерігалося лише при відносно низькій концентрації іонів кобальту (0,1 мг/дм³), тоді як у щуки аналогічні зміни відбувалися за вищої концентрації (0,25 мг/дм³). Підвищені концентрації кобальту (як 0,1 мг/дм³, так і 0,25 мг/дм³) викликали зростання рівня глюкози у крові обох досліджених видів риб. Щодо лактату, то у карася його концентрація підвищувалася за обох концентрацій кобальту, тоді як у щуки це спостерігалося лише за дії 0,25 мг/дм³ іонів металу. Кількість пірувату в крові карася зростала при 0,25 мг/дм³ Co²⁺, а у щуки — навпаки, знижувалася пропорційно до концентрації кобальту у воді. Зафіксовано пряму залежність між співвідношенням лактат/піруват та активністю лактатдегідрогенази у обох видів риб при дії підвищених концентрацій кобальт, що свідчить про посилення гліколітичних процесів у енергозабезпеченні, особливо у щуки, за високих концентрацій металу (0,25 мг/дм³). Підвищені концентрації кобальту впливають на білковий склад крові риб, причому ці зміни є видоспецифічними. У карася загальний вміст білків у сироватці крові зростав на 18,9% та 24,8% при дії 0,1 та 0,25 мг/дм³ іонів кобальту відповідно. Натомість у щуки цей показник знижувався на 15,8% лише при вищій концентрації металу (0,25 мг/дм³). Щодо фракційного складу плазми крові то у карася підвищені концентрації кобальту не викликали значних змін у кількості альбуміну та γ-глобулінів. Проте, дія 0,1 мг/дм³ кобальту призводила до зменшення α1 і α2- глобулінів та збільшення β-глобулінової фракції. У щуки спостерігалися дещо інші зміни. Так, при 0,1 мг/дм³ кобальту відзначено зростання альбуміну та α2-глобулінів, а також зниження β- та γглобулінів. Вплив кобальту в кількості 0,25 мг/дм³ викликав зростання βглобулінів та зниження γ-глобулінів у плазмі щуки. Значне зростання альбумін-глобулінового коефіцієнту було зафіксовано тільки у плазмі крові щуки при дії 0,1 мг/дм³ іонів кобальту. Наступним етапом нашої роботи було дослідження окисного стресу в організмі прісноводних риб. Підвищені концентрації іонів кобальту викликали накопичення продуктів ПОЛ у крові щуки, тоді як у карася достовірних змін відмічено не було. Це вказує на вищу резистентність карася порівняно зі щукою до сублетальних концентрацій іонів кобальту. Вища із досліджуваних концентрацій іонів металу (0,25 мг/дм³) індукувала перекисне окиснення ліпідів у крові щуки, про що свідчило зростання рівня ТБКактивних продуктів, дієнових кон'югатів та гідропероксидів ліпідів. Натомість вплив меншої концентрації іонів Co2+ (0,1 мг/дм³) спричиняв зменшення вмісту малонового діальдегіду та дієнових кон’югантів, що може вказувати на антиоксидантний ефект низьких концентрацій металу. Дослідження активності каталази та суперкоксиддисмутази в плазмі крові риб виявили чітку залежність змін від концентрації іонів металу. Високі концентрації іонів кобальту у воді (0,25 мг/ дм³) проявляли прооксидантну дію на організм риб, про що свідчить зростання активності ферментів антиоксидантного захисту у крові. Нижча концентрація іонів металу, в цілому, не виклика достовірних змін у функціонуванні ензимів. Ферментативні системи є чутливими біоіндикаторами забруднення гідроекосистем металами. Активність ферментів може як зростати, так і знижуватися, залежно від таких чинників як концентрація забруднювача, його хімічна природа та шлях потрапляння в організм. Проведено дослідження процесів трансамінування у тканинах карася та щуки при впливі іонів кобальту в концентраціях 0,1 та 0,25 мг/дм³. При цьому, спостерігалося зростання активності аспартатамінотрансферази у печінці обох видів риб при дії сублетальних концентрацій кобальту. Водночас, у м'язах та плазмі крові зміни були невірогідними. Щодо аланінамінотрансферази, то її активність змінювалася залежно від виду риб, типу тканини та концентрації металу. Так, у карася при концентрації 0,25 мг/дм³ кобальту у воді активність аланінамінотрансферази зростала у печінці, але знижувалася у плазмі крові. У щуки відзначалася активація даного ензиму у печінці та плазмі крові при 0,1 мг/дм³ кобальту, а також у м'язах при 0,25 мг/дм³ металу у воді. Загалом, реакція системи трансамінування у карася та щуки на інтоксикацію кобальтом вказує на перебудову амінокислотного та білкового метаболізму, що необхідно для забезпечення енергетичної та пластичної адаптації до стресового впливу токсиканта. Було встановлено, що вплив сублетальних концентрацій кобальту спричиняє різноспрямовані зміни у функціонуванні лактатдегідрогенази. Дія іонів кобальту в концентрації 0,1 мг/ дм³ не викликала статистично достовірних змін активності лактатдегідрогенази у тканинах щуки та карася. Натомість, вплив 0,25 м/л іонів Co2+ призводив до активації ферменту в тканинах карася та печінці щуки, тоді як у зябрах щуки спостерігалося пригнічення ферментної активності лактатдегідрогенази. Щодо функціонування сукцинатдегідрогенази, то високі концентрації іонів кобальту (0,25 мг/ дм³) призводили до помітніших змін у тканинах зябер, порівно з печінкою, як у карася, так і щуки, де спостерігалося зниження активності ензиму, що ймовірно обумовлюється інгібуванням системи аеробного енергозабезпечення. Разом з тим дія 0,1 мг/ дм³ іонів кобальту призводила до зростання активності ензиму у гепатоцитах риб. Іони кобальту суттєво впливали на активність цитохромоксидази у риб, демонструючи тканинну та дозозалежну специфіку. У зябрах як карася, так і щуки, пригнічення цитохромоксидази зростало пропорційно до концентрації кобальту у воді. Натомість, у печінці обох видів риб, обидві досліджені концентрації кобальту мали ідентичний інактиваційний ефект на цей фермент. Риби є інформативними об’єктами для біоіндикації стану водного середовища. Зміни в їх морфометричних, гематологічних показниках, а також активності досліджуваних ферментів є інформативними індикаторами стану організму при впливі підвищених концентрацій іонів важких металів, зокрема кобальту. Дослідження сукупності цих параметрів дозволить оцінити витривалість риб до забруднення та прогнозувати зміни біоценозів у водоймах, забруднених важкими металами.

Heavy metals are one of the main environmental pollutants due to their toxicity, ability to persist in water and accumulate in aquatic organisms. They enter the environment both from natural sources, such as the destruction of rocks and volcanic eruptions, and as a result of human activity, in particular through the extraction of minerals, from industrial and agricultural enterprises. Metals, both biologically necessary and toxic, are unsafe in elevated concentrations due to their ability to accumulate, biomagnificate and high biological activity for aquatic organisms. Because of this, the amount of metals in the components of hydroecosystems must be constantly monitored. Cobalt is a heavy metal and an essential trace element. It is a component of vitamin B12 and acts as a cofactor for many enzymes. Cobalt plays an important role in many metabolic processes and interacts with key biologically active substances such as pyridoxine, polysaccharides, dehydroascorbic acid, riboflavin and pyridine nucleotides. As one of the B vitamins, Vitamin B12 (cobalamin) is critically important for cellular metabolism, in particular for DNA synthesis, erythropoiesis and the functioning of the nervous system. Cobalt is found in natural aquatic environments in small concentrations. Typically, in unpolluted natural waters, the concentration of cobalt does not exceed a few micrograms per cubic decimeter. Assessment of the impact of metal ions on aquatic ecosystems using biological indicators is particularly informative. It allows you to detect changes with high accuracy and predict further consequences. In addition, this approach is more cost-effective compared to traditional physicochemical methods of water analysis. Therefore, the purpose of the dissertation work was to determine individual morphological indicators, as well as the biochemical profile of the blood, the activity of a number of enzymes in freshwater fish under the influence of sublethal concentrations of cobalt ions. To determine the accumulation of the studied metal ions in fish tissues and their effect on these indicators. In model conditions, the morphometric and biochemical indicators of crucian carp (Carassius gibelio Bloch.) and pike (Esox lucius L.) were investigated under the influence of sublethal concentrations of Co2+ ions (0.1 and 0.25 mg/dm3 ). Experimental studies were conducted at the Volodymyr Hnatyuk Ternopil National Pedagogical University during 2021–2025. As a result of the analysis of morphometric characteristics, it was found that in the studied fish species, the values of most dimensional indicators do not differ from the control ones. However, in crucian carp, under the influence of 0.1 mg/dm³ of cobalt, deterioration of fatness and changes in body proportions (decrease in the coefficients of large head and broad back) were noted. A tendency to decrease in the liver-somatic index was also observed. Other reactions are characteristic of pike: at 0.1 mg/dm³ of cobalt, the sizes of the head and anal fin changed. At a higher concentration (0.25 mg/dm³), the length of the fins and the antedorsal/antepectral distances increased. An important difference from crucian carp is the increase in liver mass in pike with increasing cobalt concentration, which was reflected in an increase in the liver-somatic index and girth/curvature indices. However, as in crucian carp, the coefficients of fatness and broad back in pike decreased under the influence of cobalt. The conducted studies have shown that changes in hematological parameters of fish blood are species-specific and directly depend on the concentration of metal ions in the aquatic environment. Although sublethal concentrations of cobalt did not affect its content in the blood of either crucian carp or pike, it is worth noting that in crucian carp the level of cobalt in the blood was approximately ten times lower than in pike. In crucian carp, an increase in the number of erythrocytes, hemoglobin and hematocrit values was observed only at a relatively low concentration of cobalt ions (0.1 mg/dm³), while in pike similar changes occurred at a higher concentration (0.25 mg/dm³). Increased concentrations of cobalt (both 0.1 mg/dm³ and 0.25 mg/dm³) caused an increase in the level of glucose in the blood of both studied fish species. As for lactate, in crucian carp its concentration increased at both concentrations of cobalt, while in pike it was observed only at the action of 0.25 mg/dm³ of metal ions. The amount of pyruvate in the blood of crucian carp increased at 0.25 mg/dm³ Co²⁺, and in pike, on the contrary, it decreased in proportion to the concentration of cobalt in the water. A direct relationship was recorded between the lactate/pyruvate ratio and the activity of lactate dehydrogenase in both fish species under the action of increased concentrations of cobalt, which indicates an increase in glycolytic processes in energy supply, especially in pike, at high concentrations of metal (0.25 mg/dm³). Increased concentrations of cobalt affect the protein composition of the blood of fish, and these changes are species-specific. In crucian carp, the total protein content in blood serum increased by 18.9% and 24.8% under the influence of 0.1 and 0.25 mg/dm³ of cobalt ions, respectively. In contrast, in pike, this indicator decreased by 15.8% only at a higher concentration of the metal (0.25 mg/dm³). As for the fractional composition of blood plasma, in crucian carp, increased cobalt concentrations did not cause significant changes in the amount of albumin and γ-globulins. However, the effect of 0.1 mg/dm³ of cobalt led to a decrease in α1 and α2-globulins and an increase in the β-globulin fraction. In pike, slightly different changes were observed. Thus, at 0.1 mg/dm³ of cobalt, an increase in albumin and α2-globulins was noted, as well as a decrease in β- and γ-globulins. Exposure to cobalt in the amount of 0.25 mg/dm³ caused an increase in β-globulins and a decrease in γ-globulins in pike plasma. A significant increase in the albumin-globulin ratio was recorded only in pike blood plasma under the influence of 0.1 mg/dm³ cobalt ions. The next stage of our work was the study of oxidative stress in the body of freshwater fish. Increased concentrations of cobalt ions caused the accumulation of lipid peroxidation products in the blood of pike, while no significant changes were observed in crucian carp. This indicates a higher resistance of crucian carp compared to pike to sublethal concentrations of cobalt ions. The highest of the studied concentrations of metal ions (0.25 mg/dm³) induced lipid peroxidation in the blood of pike, as evidenced by an increase in the level of TBA-active products, diene conjugates and lipid hydroperoxides. In contrast, the effect of a lower concentration of Co2+ ions (0.1 mg/dm³) caused a decrease in the content of malondialdehyde and diene conjugates, which may indicate an antioxidant effect of low concentrations of the metal. Studies of catalase and superoxide dismutase activity in fish blood plasma revealed a clear dependence of changes on the concentration of metal ions. High concentrations of cobalt ions in water (0.25 mg/dm³) had a pro-oxidant effect on the fish organism, as evidenced by an increase in the activity of antioxidant defense enzymes in the blood. Lower concentrations of metal ions, in general, do not cause significant changes in the functioning of enzymes. Enzyme systems are sensitive bioindicators of metal pollution of hydroecosystems. Enzyme activity can either increase or decrease, depending on such factors as the concentration of the pollutant, its chemical nature and the route of entry into the body. A study of transamination processes in crucian carp and pike tissues under the influence of cobalt ions in concentrations of 0.1 and 0.25 mg/dm³ was conducted. At the same time, an increase in the activity of aspartate aminotransferase was observed in the liver of both fish species under the influence of sublethal concentrations of cobalt. At the same time, changes in the muscles and blood plasma were implausible. As for alanine aminotransferase, its activity varied depending on the species of fish, tissue type and metal concentration. Thus, in crucian carp at a concentration of 0.25 mg/dm³ of cobalt in water, the activity of alanine aminotransferase increased in the liver, but decreased in the blood plasma. In pike, activation of this enzyme was noted in the liver and blood plasma at 0.1 mg/dm³ of cobalt, as well as in the muscles at 0.25 mg/dm³ of metal in water. In general, the reaction of the transamination system in crucian carp and pike to cobalt intoxication indicates a restructuring of amino acid and protein metabolism, which is necessary to ensure energy and plastic adaptation to the stressful effects of the toxicant. It was found that the effect of sublethal concentrations of cobalt causes multidirectional changes in the functioning of lactate dehydrogenase. The effect of cobalt ions at a concentration of 0.1 mg/dm³ did not cause statistically significant changes in the activity of lactate dehydrogenase in the tissues of pike and crucian carp. In contrast, the effect of 0.25 m/ dm³ of Co2+ ions led to the activation of the enzyme in the tissues of crucian carp and pike liver, while in the gills of pike inhibition of the enzymatic activity of lactate dehydrogenase was observed. Regarding the functioning of succinate dehydrogenase, high concentrations of cobalt ions (0.25 mg/dm³) led to more noticeable changes in the gill tissues, as well as in the liver, in both crucian carp and pike, where a decrease in the activity of the enzyme was observed, which is probably due to inhibition of the aerobic energy supply system. At the same time, the action of 0.1 mg/dm³ of cobalt ions led to an increase in the activity of the enzyme in fish hepatocytes. Cobalt ions significantly affected the activity of cytochrome oxidase in fish, demonstrating tissue and dose-dependent specificity. In the gills of both crucian carp and pike, the inhibition of cytochrome oxidase increased in proportion to the concentration of cobalt in the water. However, in the liver of both fish species, both studied concentrations of cobalt had an identical inactivation effect on this enzyme. Fish are informative objects for bioindication of the state of the aquatic environment. Changes in their morphometric, hematological indicators, as well as the activity of the studied enzymes are informative indicators of the state of the organism under the influence of elevated concentrations of heavy metal ions, in particular cobalt. Studying the set of these parameters will allow us to assess the resistance of fish to pollution and predict changes in biocenoses in water bodies contaminated with heavy metals.