Введение
Интенсификация промышленного производства и несовершенство очистных сооружений ведут к неуклонному росту уровня загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. Как элементы-следы, некоторые тяжелые металлы (например, медь,цинк) необходимы для поддержания метаболизма млекопитающих. Однако при более высоких концентрациях они могут вести к губительным последствиям. Так, например, свинец, попадая в организм, вызывает свинцовую интоксикацию.Органами-мишенями при отравлении свинцом являются кроветворная и нервная системы, почки [1; 2].
Проблема загрязнения окружающей среды и организма человека тяжелыми металлами привела к необходимости детального изучения их поступления, распределения и накопления в организме.
Выяснение закономерностей, определяющих состояние и поведение тяжелых металлов в окружающей среде, — одна из ответственных научных задач. Металлы присутствуют в ничтожно малых количествах, но играют важную роль, входя в состав биологически активных веществ, регулирующих нормальную жизнедеятельность организмов[2].
Концентрация их в обычных условиях не велика. К тому же минеральные процессы связаны с естественными биологическими, а это уравновешивает присутствие тяжелых металлов. Другое дело — антропогенные источники попадания ионов металлов в воды при добыче нефти, угля, руды, а еще с промышленными отходами. Много загрязнений токсичными металлами вносится в воды и с сельскохозяйственными стоками. Тяжелые металлы присутствуют в виде коллоидных частичек в смеси с органическими и неорганическими веществами. Одной из форм таких токсичных металлов являются различные формы алкильных соединений ртути и таллия. Существуют в воде такие алкильные соединения мышьяка, олова, свинца, селена, кадмия. Такие вещества способны образовывать высокотоксичные органические соединения, вредные для всего живого даже в ничтожно малых количествах. Образование различных соединений металлов с органическими веществами приводит часто к новым, ранее не известным явлениям. Например, оказалось, что диметилртуть — довольно летучее металлоорганическое соединение - обнаружено в воздухе. Это вещество в свою очередь может подвергаться дальнейшим химическим реакциям (например, под воздействием ультрафиолетового излучения) и распадаться, а продукты распада — выпадают в виде ртутных дождей. В гидросферу ежегодно попадает тысячи тонн летучей и растворимой ртути. Загрязнение речной воды сказывается и в пищевых цепях.
Для токсического действия необходим контакт ксенобиотика с биологическим субстратом – объектом этого действия. Контакт может осуществляться при циркуляции вещества во всех жидких средах организма (крови, межтканевой жидкости), а также при непосредственном соприкосновении с оболочками клеток, цитоплазмой и её составными элементами[5].
Резорбция и распределение, а также выделение металлов, как и вообще экзогенных ядов, в конечном итоге схематически представляют как ряд процессов распределения между внешней средой и биосредами. В свою очередь в биосредах - организмах - происходит перераспределение между фазами: кровью и тканевыми и межклеточными жидкостями, между последними и клетками, между внутриклеточными структурами[12].
Концентрация металлов в месте действия является результатом динамических процессов всасывания из места поступления, проникания в жидкие среды, транспорта, распределения в органах и тканях, химических превращений в последних и процессов выведения из организма.
Загрязнение окружающей среды, в первую очередь микроэлементами из группы тяжелых металлов, способствует их накоплению и, как следствие, резкому снижению биопотенциала экосистем[4].
Как элементы-следы, некоторые тяжелые металлы необходимы для поддержания метаболизма млекопитающих. Однако при более высоких концентрациях или в соединениях они могут вести к губительным последствиям[5].
Для осуществления непосредственного контакта любого ксенобиотика с тканями, клетками, рецепторами ему приходится проникать через множество пограничных поверхностей – биологических мембран. Роль последних играет кожа, слизистая желудочно-кишечного тракта, эндотелии сосудов, альвеолярный эпителий, вообще гистогематические барьеры, оболочка клеток, внутриклеточных структур и т.д. Биологические мембраны имеют белково-липидную структуру. Клеточные мембраны представляют самостоятельный структурный элемент, активно участвующий в процессах обмена веществ. Мембраны рассматриваются как биологические, динамические структуры, содержащие ряд важных энзимных систем. Повреждения, вызываемые ядами, нарушающими функции энзимов, приводят к изменению проницаемости транспорта через эти оболочки [9].
Поверхность клеточных оболочек несет отрицательный заряд, что показано на примере эритроцитов, многих бактерий; но в тоже время на отдельных участках заряд может меняться. Ионы, достигнув поверхности клетки, либо фиксируются на ней, либо отталкиваются в силу одноименности заряда. Клеточные оболочки могут играть и защитную роль в отношении действия металлов. Последние в первую очередь фиксируются на поверхности и лишь медленно проникают вглубь клетки.
Соли металлов, как хорошо растворимые и диссоциирующие соединения, попадая в организм, распадаются на ионы. Скорость и полнота резорбции зависят от соотношения между ионизированной и неионизированной частью молекулы.
Металлы высшей валентности и так называемые тяжелые металлы, склонные к образованию очень трудно растворимых гидроокислов, фосфатов, альбуминатов или весьма стойких комплексов, плохо всасываются из желудочно-кишечного тракта или при любых других путях введения [10].
Свинец как загрязнитель окружающей среды и классический токсикант продолжает оставаться в центре внимания не только экологов, токсикологов и гигиенистов, но также патологов и клиницистов, представляющих разные области медицины и биологии [10].
Одним из основных соединений в выбросах промышленных предприятий является нитрат свинца. В опытах на животных была установлена следующая градация неорганических соединений свинца по уменьшению токсичности: нитрат, хлорид, оксид, карбонат, ортофосфат. Свинецсодержащие соединения, оказавшиеся в крови, разносятся и накапливаются в жировой ткани почек, печени, селезенке, костях. При большей концентрации свинец поступает в клетки кожи, мышцы и кости, из последних он вытесняет кальций.
Накопление свинца в организме млекопитающих происходит в следующей последовательности: печень – почки – трубчатые кости – селезенка – мышечная ткань и является показателем хронической интоксикации организма животных свинцом без проявления клиники острого отравления, хотя в некоторых случаях наблюдается повышенное содержание токсикоэлемента в мышечной ткани и печени.
Сложность оценки воздействия свинца на организм человека и лабораторных животных состоит в том, что свинец, как и другие тяжелые металлы, в малых дозах оказывает неспецифическое воздействие. В результате происходит бессимптомное накопление изменений в органах и тканях, что выявить клинически не всегда возможно[9].
Современные биологические средства торможения интоксикации тяжелыми металлами, как правило, направлены не только на коррекцию ключевых обменных нарушений («токсикодинамическаябиопрофилактика»), но и на снижение задержки металлов в организме («токсикокинетическаябиопрофилактика»). Для систематического использования в целях биопрофилактики интоксикации перспективными в настоящее время являются пробиотические препараты, в состав которых входят различные микроорганизмы, а также различные метаболиты. Перспективность их использования для биопрофилактики профессионального и экологически обусловленного сатурнизма бесспорна[7].
Особенностью металлов по сравнению с другими элементами является их тенденция к биоаккумуляции. Известно, что способность концентрировать металлы, в том числе и тяжелые, очень широко распространена в природе среди различных организмов[6].
Способность к накоплению в биологических системах и к локализации в различных организмах вызывает особый интерес, в частности, «рекордсменами»по извлечению из окружающей среды тяжелых металлов являются микроорганизмы[8].
В настоящее время наибольший интерес по способности аккумулировать металлы вызывают бактерии рода Bacillus. Интерес к микроорганизмам рода Bacillus в отношении их способности к накоплению ионов тяжелых металлов возник в связи с данными, которые были получены на кафедре микробиологии университета Порт-Харкорт в Нигерии, где были проведены исследования по изучению аккумуляции бактерий тяжелых металлов (кадмия, свинца, цинка и никеля) тремя видами бактерий (Bacillus, Staphilococcus и Pseudomonas), которые использовались в качестве сорбентов тяжелых металлов в речной воде с целью их очистки. По результатам исследований доля накопления тяжелых металлов микроорганизмами B.subtilis, S. albus и P.aeruginosa после 24 часов воздействия составила: никеля – до 68,6%, 58,4% и 28,3%; свинца – до 94,5%, 85,7% и 90,8%; цинка – до 91,6%, 68,1% и 52,9%; кадмия – до 71,6%, 72,1% и 77,0% соответственно. В итогенаилучшимсорбентомоказалсяродBacillus [3;12].
Антагонизм в отношении широкого круга патогенных и условно патогенных микроорганизмов и самостоятельная элиминация из желудочно-кишечного тракта представляют конструирование лечебно-профилактических препаратов из пробиотических бацилл особенно перспективным. Привлекает также их стимулирующее влияние на пищеварение, противоаллергенное, антитоксическое, санирующее и общеукрепляющее воздействие на организм[11].
На основании чего для исследований выбраны пробиотические препараты на основе бактерий рода Bacillus.
Таким образом, целью исследования являлось изучение воздействия пробиотиков на основе бактерий рода Bacillusна морфологические показатели органов-мишеней (печень, селезенка) при интоксикации солями свинца.
Материалы и методы
В качестве пробиотиков нами были использованы два препарата на основе бактерий рода Bacillus: «Споробактерин», основу которого составляет Bacillussubtilis 3, и «Бактисубтил» – Bacilluscereus IP 5832.
Исследования выполнены в условиях экспериментально-биологической клиники (вивария) Оренбургского государственного университета на модели групп-аналогов лабораторных крыс.Было сформировано 6 групп (по 12 особей в каждой) - четыре группыконтроля (группа с основным рационом, контроль металла – основной рацион с добавлением сульфата свинца, контроли препаратов – основной рацион с добавлением «Споробактерина» в одной группе и «Бактисубтила» в другой) и две опытные группы (основной рацион с добавлением соли свинца и пробиотиков).
Дозировки пробиотиков соответствовали аннотациям препаратов. Подопытные животные находились в одинаковых условиях содержания.Соли свинца задавались в первый день эксперимента, а пробиотики с первого по седьмой день. Взятие материала проводилось через 7, 14, 21 день. Исследования на животных проводились в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных» (приложение к приказу Министерства здравоохранения СССР от 12.08.1977 г., № 755).
Для гистологического исследования нами выбраны селезенка и печень.
Окрашивание срезов производили гематоксилином и эозином.
Цитометрическое исследование проводили с помощью окуляр-микрометра с ценой деления 8,56 мкм.
Результаты исследования и их обсуждение
Как известно, печень - это токсикологический центр организма, который обезвреживает ксенобиотики,участвует в обмене веществ, гемодинамике. Разнообразные функции обусловлены особенностями гепатоцитов, в которых протекает дектоксикация ядовитых метаболитов и ксенобиотиков (рисунок 1).
Для патологии печени (рисунок 1) характерна высокая частота сочетанных нарушений печени и селезенки, что обусловлено анатомическими и функциональными связями между этими органами. В качестве основной характеристики патологического состояния выбран размер ядер.
В результате исследования выявлены патологические изменения у групп контроля металла на 7, 14, 21 дни исследований – ядра гепатоцитов были увеличены в два раза. Сами пробиотики не оказывали влияния на морфологические показатели печени.
Рисунок 1 - Участок печёночной дольки крысы (слева – нормальное состояние, справа – после интоксикации солями свинца).Окраска гематоксилином.Увел.Х150. Условные обозначения: 1 – гепатоцит, 2 – ядро гепатоцита, 3 – ядрышко, 4 – синусоидный капилляр.
В группах контроля пробиотиков достоверных изменений не наблюдалось. В опытных группах патологических нарушений не выявлено.
Основные анатомические элементы селезенки - капсула и трабекулы, образующие слабо демаркированные области в органе. Между трабекулами содержится белая пульпа (селезеночные узлы) и красная пульпа (селезеночные синусы) (рисунок 2).
Эти морфологически различимые области селезенки и являются функциональными элементами иммунной системы.Соотношение красной и белой пульпы характеризует нормальное или патологическое состояние органа. Увеличение соотношения в сторону красной пульпы, при этом практически отсутствие белой, свидетельствует о патологических нарушениях.
Такая картина наблюдалась у групп контроля металла (рисунок 2).
Исследуемые пробиотические препараты на основе спорообразующих бактерий рода Bacillus («Споробактерин» и «Бактисубтил») не оказали влияния на морфологию селезенки.
В группах контроля пробиотиков и опытных группах изменений не наблюдалось.
Рисунок 2- Участок селезёнки крысы (слева – нормальное состояние, справа – после интоксикации солями свинца). Окраска гематоксилином.Увел.Х150. Условные обозначения: 1 – белая пульпа; 2 – красная пульпа; 3 –трабекула; 4 – трабекулярная вена.
ЗаключениеНа основании гистологических исследований установлено, что пробиотики на основе бактерий рода Bacillus предотвращают патологические изменения в органах-мишенях, что,по нашему мнению, связано с эффективным поглощением тяжелых металлов компонентами пробиотиков.
Рецензенты:РусановА.М., д.б.н., профессор, декан химико-биологического факультета ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», г. Оренбург.
Лебедев С.В., д.б.н., заведующий экспериментально-биологической клиникой (виварием) ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», г. Оренбург.