Antioxidant enzyme system in fish from contaminated lakes in Chernobyl exclusion zone
Abstract
Akvatiske organismer i Tsjernobyl-eksklusjonssonen har blitt kronisk eksponert for ioniserende stråling siden atomkraftulykken i Tsjernobyl i 1986. Fisk anses som de mest radiosensitive akvatiske organismene, og i den høyt kontaminerte innsjøen Glubokoye har fisk blitt eksponert ioniserende stråling, f.eks. fra 137Cs og 90Sr over flere generasjoner etter ulykken. Radionuklider i miljøet kan bidra til ekstern stråling, intern stråling og kjemiske effekter fra opptak. Ioniserende stråling kan reagere med vann i organismen og produsere reaktive oksygenforbindelser som frie radikaler. Disse frie radikalene kan gi indirekte effekter ved å reagere med biomolekyler og forårsake oksidativ skade på DNA og andre cellebestanddeler.
I dette studiet ble gjedde (Esox Lucius) og sørv (Scardinius erythrophthalmus) fra den høyt kontaminerte innsjøen, Glubokoye, benyttet for å se på de morfologiske endringer og for å bestemme enzymaktiviteten. Enzymaktiviteten av de detoksifiserende enzymene; superoksid dismutase (SOD), katalase (CAT), glutation peroksidase (GPx) og glutation reduktase (GR) ble bestemt i vevsprøver fra lever og nyre.
Tidligere studier har vist høy radioaktivitet i både innsjø og fisk nært Tsjernobyl. Fisken i Glubokoye opplever både ekstern og innvendig eksponering fra 137Cs og 90Sr. Målinger utført i Kiev av laboratoriepersonell viste en aktivitet i vannet på henholdsvis 3,3 ± 0,7 Bq/L (137Cs) og 96 ± 17 Bq/L (90Sr). Basert på aktivitetskonsentrasjonen av 137Cs i fiskemuskelen, og 90Sr i fiskebein, ble den totale innvendige dose-raten i gjedde fra Glubokoye beregnet, 4,29 ± 3,06 µGy/t. Den 137Cs eksterne dose raten fra vannet i gjedda fra Glubokoye var 9,68 x10-4 ± 3,48 x 10-5 µGy/t. I sørven fra Glubokoye var den totale interne dose-rate fra 137Cs og 90Sr på 9,45 ± 8,92 x 10-1µGy/t. Den eksterne dose raten av 137Cs fra vannet på sørven i Glubokoye var 1,06 x 10-3 ± 6,52 x 10-6 µGy/t.
Vevsprøvene fra lever og milt av den kontaminerte fisken viste tydelige morfologiske forandringer. Fra den histologiske analysen ser det ut til at den sterkt forurensede Glubokoye-fisken sannsynligvis har blitt påvirket av ioniserende stråling, spesielt i leveren og milten.
De fleste av målingene av enzymaktiviteten i vevsprøvene viste ingen signifikant effekt som indikerte på at den forurensede fisken ikke hadde høyere nivåer av frie radikaler forhold til kontrollfisken. SOD-aktiviteten i nyren fra sørven viste derimot signifikant forskjell og indikerte på at den forurenset sørven har høyere nivåer av frie radikaler enn kontrollfisken. For å underbygge denne observasjonen er det viktig med videre arbeid.
Resultatene indikerer på at fisken fra Glubokoye har histologiske endringer i strukturen til celler og vev, sannsynligvis på grunn av ioniserende stråling. Den ioniserende strålingen har midlertidig ikke ført til høyere andel av ROS i den forurensede fisken. Aquatic organisms in the Chernobyl exclusion zone have been chronically exposed to ionizing radiation since the Chernobyl nuclear power plant accident in 1986. Fish are considered the most radiosensitive aquatic organism, and in the highly contaminated lake Glubokoye in Chernobyl exclusion zone, the fish have been continuously exposed to ionizing radiation e.g., from 137Cs and 90Sr over many generations since the accident. Radionuclides in the environment can contribute to external radiation, internal radiation and chemical effects from uptake. Ionizing radiation can lead to biological effects on organisms, indirectly or directly. The radiation can interact with water in the organism and produce reactive oxygen compounds such as free radicals. These free radicals do in turn generate indirect effects by reacting with biomolecules and cause oxidative damage to DNA and other cell constituents.
In this study, the two fish species pike (Esox Lucius) and rudd (Scardinius erythrophthalmus) from the highly contaminated lake Glubokoye, were used to identify morphological changes and to determine activity of antioxidant enzymes. The results were compared with pike and rudd from less contaminated lake Kashovka to identify effects due to ionizing radiation. The enzyme activity of the detoxifying enzymes; superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT), glutathione peroxidase (GPx), and glutathione reductase (GR) were determined in the liver and the kidney tissue samples.
Previous studies have shown high radioactivity in lake Glubokoye. The fish in Glubokoye experience both internal and external exposure of ionizing radiation from the radionuclides 137Cs and 90Sr. Measurements carried out in Kiev by laboratory personnel showed an activity in Glubokoye at 3.3 ± 0.7 Bq/L of 137Cs and, 96 ± 17 Bq/L of 90Sr, respectively. Based on the activity concentration of 137Cs in the fish muscle, and 90Sr activity in the bone, the total internal dose-rate in the pike from Glubokoye was calculated to 4.29 ± 3.06 µGy/h. The 137Cs external dose rate from water in the pike from Glubokoye were 9.68 x10-4 ± 3.48 x 10-5 µGy/h. In the rudd from Glubokoye the total internal dose-rate of 137Cs and 90Sr was on 9.45 ± 8.92 x 10-1 µGy/h. The external dose-rate was 1.06 x 10-3 ± 6.52 x 10-6 µGy/h from water.
The tissue samples from the liver and the spleen of the contaminated fish showed distinct morphological changes. From the histological analysis, it appears that the highly contaminated Glubokoye fish have been affected probably by ionizing radiation, especially in the liver and the spleen.
Most of the measurements of the enzyme activity in the tissue samples showed no significant effect indicating that the contaminated fish have higher levels of free radicals than the control fish. However, SOD activity in the rudd kidney showed significant difference and indicated that the contaminated rudd have higher levels of free radicals than the control fish.
Thus, results indicate that the fish from Glubokoye have histological changes in the structure of cells and tissue probably due to ionizing radiation. However, the ionizing radiation has not led to a higher proportion of ROS in the contaminated fish.