- (2009) Volume 3, Issue 2
Figen Esin Kayhan*, Mehmet Nezih Muşlu, Nazan Deniz Koç
Marmara Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Biyoloji Bölümü, Göztepe- İstanbul
It is very important to apply biochemical, histologic and histopathological methods evaluating pollution degrees from heavy metals in sublethal levels in both clear and polluted areas. In aquatic organisms, biochemical defects are observed as primary responses due to heavy metals following stress and from their physiological effects secondary responses develops. Secondary responses may be evaluated by changes in histologic, histopathologic, biochemical and hematologic parameters. In this compilation study, it was aimed to explicate general health problems, stress and also biological responses observed due to these factors which are caused by toxic heavy metal accumulations in aquatic organims.
Heavy metal, Aquatic organisms, Stres, Biological responses
“Stres” kavramı bir canlının normal halini tehlikeye sokan, kapasitesini azaltıcı ve zorlayıcı olarak değerlendirilen, canlı ve çevre arasındaki etkileşim olarak tanımlanabilir. Stresin oluşması için, canlının içinde bulunduğu ya da yaşamını sürdürdüğü ortam ve çevrede meydana gelen değişimlerin, canlıyı belli düzeyde etkilemesi gerekir. Birçok canlıda stres yanıtlar, stres etkenlerine karşı koymak ve onunla başa çıkmaya çalışmak amacıyla doku ve organ fonksiyonlarında değişimlerle başlar ve homeostasis sürecinden uzaklaşma ile sonlanır. Sözü edilen bu değişimler bireyler arasında farklılık gösteren ama benzer karakteristiğe sahip fizyolojik yanıtlardır (Dönmez ve ark., 2006, Schreck ve ark., 2001). Pek çok stres etkeni balıklarda “Genel Adaptasyon Sendromu” olarak adlandırılan stres yanıtlara sebep olabilir. Ağır metaller su canlılarında hücresel ve moleküler düzeyde yapısal işlev bozukluklarına ve DNA kırılmaları frekanslarında artışa sebep olmaktadır (Kalay ve Karataş 2004, Levesque ve ark., 2002, Giordano ve ark., 1989).
“Stres” kavramı bir canlının normal halini tehlikeye sokan, kapasitesini azaltıcı ve zorlayıcı olarak değerlendirilen, canlı ve çevre arasındaki etkileşim olarak tanımlanabilir. Stresin oluşması için, canlının içinde bulunduğu ya da yaşamını sürdürdüğü ortam ve çevrede meydana gelen değişimlerin, canlıyı belli düzeyde etkilemesi gerekir. Birçok canlıda stres yanıtlar, stres etkenlerine karşı koymak ve onunla başa çıkmaya çalışmak amacıyla doku ve organ fonksiyonlarında değişimlerle başlar ve homeostasis sürecinden uzaklaşma ile sonlanır. Sözü edilen bu değişimler bireyler arasında farklılık gösteren ama benzer karakteristiğe sahip fizyolojik yanıtlardır (Dönmez ve ark., 2006, Schreck ve ark., 2001). Pek çok stres etkeni balıklarda “Genel Adaptasyon Sendromu” olarak adlandırılan stres yanıtlara sebep olabilir. Ağır metaller su canlılarında hücresel ve moleküler düzeyde yapısal işlev bozukluklarına ve DNA kırılmaları frekanslarında artışa sebep olmaktadır (Kalay ve Karataş 2004, Levesque ve ark., 2002, Giordano ve ark., 1989).
Normal koşullarda ağır metallerin doğadaki oranı düşüktür. Doğal ortamdaki konsantrasyon oranı arttığında, gümüş, civa bakır, kadmiyum ve kurşun gibi ağır metaller özellikle organizmalar üzerinde toksik etki yapmakta ve enzimleri inhibe etmektedir. Canlılardaki bazı enzimatik aktiviteler için bazı metaller belli konsantrasyonlarda olmak şartı ile gereklidir. Organik maddeye bağlı olan metaller biyolojik aktiviteler sırasında kullanılabilir ve organik maddelerin bozuşması ile çözünmüş olarak tekrar serbest hale geçer (Balkıs ve Algan, 2005). Ağır metaller, subletal ortam derişimlerinin etkisinde balıkların karaciğer, böbrek ve dalak gibi metal metabolizması ve metal detoksifikasyonu ile ilgili organlarda yüksek düzeyde birikmektedir. Balıklarda karaciğer, ağır metalleri bağlayarak toksik etkilerinin azaltılmasında işlev gören metallothionein ve glutatyon gibi metal bağlayıcı proteinlerin başlıca sentez yerlerinden biridir.
Ağır metallerin alım ve birikim mekanizması Sucul ortamdaki ağır metallerin balıklar tarafından bünyelerine alınması en fazla solungaçlar, vücut yüzeyi ve sindirim sistemi ile olmaktadır. Bunun nedeni ağır metal içeren solunum suyunun en geniş yüzey alanına sahip olan solungaç lamelleri ile etkileşmesidir. Solungaç epitelinde çevresel kirlenmeye fizyolojik tepki olarak görülebilecek hiperplazi (organ ve dokuda, ihtiyacı karşılamak için bölünebilme kabiliyeti olan hücre sayısındaki artış), mukoz hücrelerin fazla aktif olması, primer lamellerin ayrılması gibi defektler biyolojik yanıtların sadece bazılarıdır. Değişik yollardan canlı bünyesine alınan ağır metaller her organ ve dokuda farklı düzeyde birikirler. Canlı bünyesinde çeşitli metabolik yollara katıldıktan sonra vücut dışına atılabilen metallerden fizyolojik öneme sahip olanlar depolanır. Eğer bunlar toksik metallerden biri ise, enzimlerin yapısını bozabilmektedir (Yazkan ve ark., 2004). Toksik maddelerin doğrudan veya dolaylı olarak, eritrositlerin membran yapılarını, iyon geçirgenliğini ve hücre metabolizmasını bozduğu ortaya konulmuştur. Araştırıcılar, kirliliği belirlemede kullanılabilecek herhangi bir fizyolojik yanıt için, belirlenen organizmanın üreme periyodunun göz önüne alınmasını ve bu tip çalışmaların iki veya üçer aylık dönemler (mevsimsel) halinde gerçekleştirilmesini önermektedir (Widdows, 1985, Nikinmaa, 1992).
Sucul organizmalarda stres sonrası gelişen primer yanıt süresince açığa çıkan faktörlerin fizyolojik etkilerinden sekonder yanıtlar gelişir (Tablo 1). Sekonder yanıtlar bazı histolojik, histopatolojik, biyokimyasal ve hematolojik parametrelerdeki değişimlerle saptanabilmektedir. Balıklarda çevresel etkiler sonucu gelişen stres sonrasında homeostazisi sağlamak amacıyla, hematolojik, osmolalitik, hormonal ve enerji metabolizmasını düzenleyen bazı fizyolojik değişiklikler şekillenir (Dönmez ve ark., 2006, Acerete ve ark., 2004, Yavuzcan Yıldız ve Pulatsü, 1999). Hematoloji, balık bilimi ile ilgili olarak balıkların fizyolojik durumlarının belirlenmesinin yanı sıra su ortamlarında hızla artan kimyasal kirlenmenin balıklar üzerindeki stres düzeyini belirlemede de yararlanılan bir bilim dalıdır. Hematolojik bilgiler su ortamındaki kirleticilerin sucul organizmalara verdikleri zararların belirlenmesinde yardımcı olur.
Tablo 1. Toksik elementlerin organizmadaki fizyolojik yolları ve biyolojik yanıtları.
Table 1. The biological responses and physiological pathways of toxic elements in organism.
Karaciğer dokusu ağır metallerin taşınmasında ve detoksifikasyonunda görev yapan metal bağlayıcı proteinler ve buna benzer proteinlerin başlıca sentez yerlerinden biri olduğu için, kadmiyum detoksifikasyonundaki işlevi oldukça fazladır. Buna rağmen, kadmiyum birikim düzeyi bakımından özellikle kronik çalışmalarda, karaciğer dokusuna oranla birikimin en fazla böbrek dokusunda olduğu belirtilmiştir (De Conto ve ark., 1999, De Smet ve ark., 2001, Wu ve ark., 1999, Serafim ve ark., 2002). Balık dokuları (kas, karaciğer, böbrek, gonad, mide vs) deniz ortamındaki ağır metal konsantrasyon derecesini belirlemek için indikatör olarak kullanılmaktadır. Özellikle karaciğer dokusu balığın diğer organlarına göre su kirliliğinin çevresel indikatörü olarak sıklıkla tavsiye edilmektedir. Karaciğer dokusu ağır metal birikiminde büyük öneme sahiptir (Olsvik ve ark., 2001). Bazı çalışmalarda ağır metallerin metabolik aktivitesi yüksek olan organ ve dokularda total protein derişimini arttırdığı rapor edilmiştir (De Souza ve ark., 2003, Chan ve Cherian, 1992).
Bazı ağır metallerin sucul canlılar üzerindeki etkileri farklı açıklanabilir. Örneğin; arseniğin etki mekanizması kükürt ihtiva eden enzimlerle reaksiyona girmesine bağlanmaktadır. Arsenik özellikle karaciğer, kemik doku, deri ve tırnakta birikmektedir (Francesconi ve ark., 1999, Şener ve Yıldırım, 2000, Clowes ve Francesconi, 2004, Kayhan, 2007). Deniz ürünlerinde arsenik miktarı tolerans sınırları üzerine çıkabilir. Örneğin Morina’nın karaciğer yağında, yengeçte ve planktonik organizmalarda yüksek oranda arseniğin saptandığı bazı çalışmalar vardır (Yağmur ve Hancı, 2002). Arseniğin organizmalardaki birikimi ve etkileri, arsenik bileşiğinin özelliklerine bağlıdır ve embriyolarda kronik etkilere, DNA hasarlarına veya kanserlere sebep olabilir (Dons ve Beck, 1993, Berg ve ark., 1997).
Kadmiyum en toksik ağır metallerden biridir. Düşük konsantrasyonlarda bile su canlıları için son derece zararlı etkilere sahiptir. Kadmiyum özellikle çevre kirliliği görülen denizlerde su canlılarında birikmekte olduğu ve değişik seviyelerde toksik etkiler meydana getirdiği yapılan birçok çalışmada gösterilmiştir (Sağlamtimur ve ark., 2003, Guevara ve ark., 2004, Argese ve ark., 2005, Kalay ve ark., 2004, Kayhan ve ark., 2007). Balıklarda kas dokusu ağır metal bağlamada fazlaca etkili değildir. Bununla birlikte, insanlar tarafından tüketildiği ve sağlık riski taşıdığı için kas dokusu analizlerinin yapılması da gereklidir (Flos ve ark., 1979).
Kadmiyumun farklı ortam derişimlerinin etkisinde Sazan balığının (Cyprinus carpio) karaciğer ve böbrek dokularındaki kadmiyum birikimi en kısa sürede çok yüksek seviyelere ulaşırken kas dokusundaki birikimin 106 günlük bir etki süresi sonunda ortaya çıktığı belirtilmiştir. Söz konusu bu çalışmada, kadmiyum birikiminin diğer doku ve organlarda kas dokusuna oranla daha az olması kas dokusunun ağır metalleri bağlamada fazla aktif bir doku olmadığını göstermektedir. Ağır metallerin birikimlerinin incelendiği çalışmalarda kas dokusunun kullanılması yanıltıcı sonuçlar verebilmektedir (De Conto ve ark., 1999).
Ağır metaller sucul ortamlarda birbirlerinden bağımsız halde bulunmadıklarından ağır metal karışımlarının sucul organizmalar üzerine yaptığı etkilerin incelendiği araştırmaların sayısı da artmaktadır (Berg ve ark., 1997, De Conto Cinier ve ark., 1999, Sağlamtimur ve ark., 2003, Guevara ve ark., 2004, Argese ve ark., 2005, Kalay ve ark., 2004). Yapılan bir çalışmada, Tatlısu çipurası (Oreochromis niloticus)’nın bakır+kadmiyum karışımının etkisinde balıkların solungaç, karaciğer, böbrek ve kas dokularında oluşan bakır birikimlerini incelemişlerdir. Bakır birikiminin, bakırın tek başına etkisinde saptanan birikim ile karşılaştırıldığında dalgalanma gösterdiğini belirtmişlerdir. Bu çalışmanın sonucunda gerek bakır, gerekse bakır+kadmiyum karışımının etkisinde, bakırın en fazla karaciğer ve en az kas dokusunda biriktiği bildirilmiştir. Araştırmacılar bu metallerin etkisinde inceledikleri doku ve organlarda, metal bağlayıcı proteinlerin sentezinde artış gözlenmişlerdir. (Sağlamtimur ve ark., 2003).
Ağır metal stresine karşı biyolojik yanıtlar
Çevresel stres yaratan faktörler etkisi ile balıkların lökosit ve hematokrit miktarında önemli azalmalar olduğunu ve bağışıklık sistemlerinin zayıfladığını gösteren bir çalışmada biyokimyasal analizler sonucunda elde edilen veriler bazen sözü edilen kirleticilerden mi yoksa çevresel (yaş, üreme zamanı, sıcaklık, tuzluluk vs) bazı faktörlerden mi kaynaklanmaktadır tam olarak anlaşılamamaktadır (Hardig ve ark., 1988). Böyle durumlarda histolojik incelemeler organizmaların dokuları hakkında daha belirgin veriler sağlamaktadır. Aşağıdaki tabloda ağır metal ve tuzlarından etkilenen organizmaların gösterdikleri biyolojik tepkileri ve yanıtları toplu halde görmek mümkündür (Tablo 2). Argese ve ark., (2005), İtalya’nın Venedik Lagünü’nde bulunan Mytilus galloprovincialis türü midyelerde arsenik bileşiklerinin dağılımını inceleyen bir araştırma yapmışlardır. Midyenin hepatopankreasında (sindirim bezleri) bulunan arsenik bileşikleri birikim oranının, diğer yumuşak dokulara oranla daha fazla olduğunu belirtmişlerdir (Argese ve ark., 2005). Potansiyel kirletici olarak kabul edilen bazı ağır metallerin Diplodon chilensis türü midyelerdeki birikiminin araştırıldığı diğer bir çalışmada ise, tüm yumuşak dokularda ve hepatopankreaslarında yüksek düzeyde tespit edildiği Arjantin’li araştırmacılar tarafından belirtilmiştir (Guavara ve ark., 2004).
Tablo 2. Stres etkeni olarak görülen bazı ağır metaller ve bileşikleri tarafından etkilenen doku ve organlarda görülen biyolojik yanıtlar
Table 2. Biological responses of tissue and organs which effected by some trace metals
Teke karidesi (Palaemon serratus) türünde yapılan ağır metal birikim deneyleri sonucunda küçük bireylerin hem doku hem de kabuklu kısımlarında biriktirdikleri kadmiyum miktarının büyük bireylere göre daha fazla olduğu gözlenmiştir. Bunun nedeni küçük bireylerin metabolik aktivitelerinin büyüklere göre daha fazla olmasıdır. Ayrıca hem küçük hem de büyük bireylerin kabuklarında, dokulara göre daha fazla metal biriktirmeleri söz konusudur. Bunun nedeni ise, vücudun dış yüzeyinin ortamdaki metal ile doğrudan etkileşimi olabilir (Egemen ve Sunlu, 2003). Balıklardaki durum ise biraz daha farklıdır. Sudaki kadmiyum balıkların vücut yüzeyi ve solungaçları ile etkileştikten sonra diğer dokulara geçmektedir (Hollis ve ark., 1999, Wong ve Wong, 2000).
Hematolojik parametreler, balıkların fiziksel durumlarının belirlenmesi ile stres ve hastalıkların kontrolünde su ürünleri yetiştiriciliğinde yaygın olarak kullanılan belirteçlerdir. Bu tip parametrelere, toksikolojik çalışmalarda da sıklıkla başvurulmaktadır.
Kadmiyumun, Japon Balığı (Carassius auratus) türü balıklarda eritrosit oluşumunu engellediği yapılan bazı çalışmalarda gösterilmiştir. Kadmiyuma ek olarak ortamda çinko ve bakır bulunursa balıklar üzerindeki toksik etkinin daha da arttığı belirtilmektedir (Houston ve Keen, 1984, Atamanalp ve ark., 2003). Ağır metaller gibi stres yapıcı etkenlerin etkisinde kalan farklı balık türlerinde plazma kortizol, glikoz ve laktat düzeylerinde artışlar gözlendiği bazı araştırmalarda belirtilmiştir (Malhilakath ve ark., 1997, Acerete ve ark., 2004, Small 2004, Biswas ve ark., 2005, Dönmez ve ark., 2006). Hematoloji, balık bilimi ile ilgili olarak balıkların fizyolojik durumlarının belirlenmesinin yanı sıra su ortamlarında hızla artan kimyasal kirlenmenin balıklar üzerindeki stres düzeyini belirlemede de yararlanılan bir bilim dalıdır. Hematolojik bilgiler su ortamındaki kirleticilerin sucul organizmalara verdikleri zararların belirlenmesinde yardımcı olur.
Balıkların hematolojik parametreleri üzerine kirliliğin ve ağır metallerin etkisi konusunda pek çok araştırma vardır. Kadmiyumun kısa süreli etkisine maruz kalma sonucu Salmo gairdneri türü balıklarda kanda glikojen seviyesinde azalma ve karaciğerde büyüme gözlenmiştir. Kadmiyumun düşük seviyelerine maruz kalan Perca fluviatilis türü balıklarda normastik ve normokromik anemi gözlenmiştir (Lowe-Jinde ve Nimi, 1986, Larsson ve ark., 1985) . Yapılan bir araştırmada, Kömürcü Kaya balıkları (Gobius niger)’nın 24 gün süren kadmiyum birikim deneylerinde, balıkların eritrosit yapılarının kadmiyumdan ne ölçüde etkilendiğini incelenmiştir. Histolojik bazı değişikliklerin ortaya çıktığını, immatüre ve dejenere olmuş eritrosit sayısında artış olduğunu belirtmişlerdir. Normal eritrositlerdeki nukleuslar değişikliğe uğramış ve küresel şekil almışlardır. Ayrıca hücre zarlarının dikensi yapı kazandığını, hipokromik anemi, parçalı eritrosit yapısı ve mikronüklei sayısında artış olduğunu da gözlemlemişlerdir. Bu veriler uzun süreli birikim deneylerinde kadmiyumun balıklarda yarattığı stres ve biyolojik yanıtlara örnek olarak gösterilebilir. Balıkların kan parametrelerinin çok çeşitli çevresel kirleticiye karşı fizyolojik bir yanıt olarak kullanılabileceği araştırmacılar tarafından belirtilmiştir (Katalay ve Parlak, 2004).
Midye türleri suyun kimyasal yapısına karşı çok duyarlıdırlar. Kadmiyum ve kurşun bulunan ortamlarda midye larvalarında meydana gelebilecek anormallikleri inceleyen araştırıcılar ise, 0.5 ppm Cd konsantrasyonunda larvaların %97’sinde anormallik tespit etmişlerdir. Çalışmada kadmiyumun, ergin midye bireylerini kurşundan daha fazla etkilediği de belirtilmiştir (Varlık, 1991). Kabuklular, genellikle bazı ağır metalleri deniz suyundan alırlar ve giderek artan oranlarda biriktirirler. Tatlısu istakozları temiz su çevreleri için de indikatör olarak kullanılırlar çünkü balıklara oranla daha düşük aktivite gösteren organizmalardır. Çeşitli konsantrasyonlarda Cd içeren ortamlarda tutulan Sazan (Cyprinus carpio) türü balıkların hematolojik değişimlerini inceleyen bir çalış mada hemoglobin ve hematokrit değerlerinin önemli oranda düştüğünü, anemik belirtilerin artmış olduğunu ve karaciğer dokularında şiddetli harabiyet gözlendiği rapor edilmiştir (Koyana ve Ozaki, 1984). Deniz ve göl sularının fiziksel ve kimyasal yapılarındaki değişimlerin yol açtığı stres bu türlerin üremelerinde de azalmaya yol açmaktadır (Howells ve ark., 1996). Balıklarda hastalıkların ve çevresel faktörlerin yaratacağı durumun belirlenmesinde normal hematolojik değerlere yer verilmesi kaçınılmazdır. Hematokrit seviyesi ve eritrosit sedimantasyon oranı balık sağlığında indikatör olarak kullanılmaktadır. Sucul organizmaların çevre şartlarındaki değişikliklere kısa sürede biyolojik yanıt vermeleri ve organizmanın klinik statüsü hakkında bilgi vermesi hematolojik parametreleri elde etmenin önemini arttırmaktadır.
Bakır ve çinko organizmanın bünyesinde yetersiz miktarlarda bulunduğunda büyümeyi sınırlandırırken, yüksek miktarları ise toksik olabilmektedir. Ağır metaller bir organizmanın dokularında biriktiği zaman, gelişen metabolik olaylar bu ağır metalleri toksik potansiyellerine ve yararlılık oranlarına bağlı olarak kullanmak, elimine etmek veya dışarıya atmak zorundadır. Denizel ve tatlısu bivalvia türlerini barındıran Mytilus genusu laboratuar ve doğal ortam koşullarında bazı ağır metallere maruz kaldıklarında, tepki olarak indüklenebilir, düşük molekül ağırlıklı, sülfidril bakımından zengin ve metallothioneine benzeyen metal bağlayan proteinler sentezleyebilirler. Başlıca ağır metal detoksifiye edici proteinler olarak karakterize edilen bu proteinler, hem omurgalılarda hem de omurgasızlarda özellikle kadmiyum bağlayan ve sülfür içeren proteinler olarak bilinmektedir (Margoshes ve Vallee, 1957, George ve ark., 1979, Pavicic ve ark., 1992, Roesijadi ve Hall, 1992, Fowler ve ark., 1986).
Uluturhan (2004), Ege Denizi’nde Kırma Mercan (Pagellus erythrinus) balığının bazı organlarında ağır metal seviyelerini araştırdıkları çalışmalarında, en fazla birikimin karaciğerde olduğunu belirlemişlerdir. Karaciğerin birikim ve detoksifikasyondaki rolünü gösteren bu çalışma kendi denizlerimizde yapılan güzel bir örnektir. Foça ve Aliağa Körfezi’ndeki Kömürcü Kaya balıkları (Gobius niger)’ndan alınan kan örneklerinde, kan parametreleri (eritrosit, hemoglobin, hematokrit, ortalama hücresel hacim, ortalama hemoglobin miktarı ve konsantrasyonu, trombosit) ölçülmüş ve mikroskopik analizler yapılmıştır. Normal olarak yassı ve oval olan eritrositlerin değişikliğe uğrayarak fusiform ve küresel şekil aldığı, hücre zarının dikensi bir yapı kazandığı belirtilmiştir. Bu araştırma, balıkların kan parametrelerinin çevresel kirleticilere karşı biyolojik yanıtlar verebileceğini göstermektedir (Katalay ve Parlak, 2004).
Sucul organizmalarda ağır metal birikim ve hasarlarının incelendiği araştırmaların yapılması, bu metallere karşı duyarlılığı yüksek olan türlerin belirlenmesinin yanı sıra organizmada meydana gelebilecek biyokimyasal, fizyolojik, yapısal ve işlevsel bozuklukların belirlenmesi açısından da önem taşımaktadır. Çevre kirliliğinin bir göstergesi olarak canlılarda ölçülen metalik kirleticiler özellikle su ürünlerinde sıklıkla yüksek seviyelere ulaşabilir. Bu şekilde besinlerle birlikte düşük düzeylerde ama sürekli olarak alınan civa, kadmiyum ve kurşun gibi metal kalıntıları çevre ve insan sağlığını önemli derecede etkilemektedir.
