Действие электромагнитных полей ЛЭП на растительные объекты

Ю. Г. Изюмов; М. Г. Таликина; В. В. Крылов

Труды ИБВВ РАН, вып. 84(87), 2018

Transactions of IBIW, issue 84(87), 2018

УДК 577.359

действие электромагнитных полей лэп

НА РАСТИТЕЛЬНЫЕ ОБЪЕКТЫ

Ю. Г. Изюмов, М. Г. Таликина, В. В. Крылов

Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузскийр-н, e-mail: [email protected]

Приводятся литературные и собственные данные по реакции наземных растений, растущих в зонах действия электромагнитных полей линий электропередачи. Многие исследователи отмечали угнетение продукционных показателей растений в таких зонах. Воздействие имитации магнитных полей линий электропередачи на растения вызывало эффекты, в основном, сходные с наблюдавшимися в природных условиях. Впервые в природных и экспериментальных условиях получены данные о реакции водных растений на поля линий электропередачи. В качестве модельного вида была использована ряска малая Lemna minor. По полученным результатам сделан вывод о необходимости изучения временной динамики продукционных и цитологических показателей растений в зонах линий электропередачи вместо однократных оценок.

Ключевые слова: электромагнитное поле, линии электропередачи, растения, ряска (Lemna minor).

DOI: 10.24411/0320-3557-2018-10017

ВВЕДЕНИЕ

Прокладка линий электропередач высокого напряжения (ЛЭП) порождает ряд экологических, социальных и экономических проблем. Среди экологических проблем можно выделить действие электромагнитных полей (ЭМП), генерируемых ЛЭП, на животные и растительные организмы, постоянно или временно обитающие в зонах действия этих полей. Несмотря на то, что ЛЭП стали практически обязательной составляющей пейзажей населённых областей, прямых наблюдений, т.е. полевых работ в зоне действия ЭМП конкретной ЛЭП, в литературе описано не много. Удобными моделями для изучения постоянно действующих низкочастотных ЭМП на организмы и сообщества являются растения в зо-

нах ЛЭП. В отличие от животных, растительный организм в течение своей жизни не способен покинуть местообитание. На многолетних растениях с сезонной вегетацией можно из года в год исследовать результаты воздействия ЭМП на конкретный организм на фоне действия других факторов, определяя, таким образом, эффекты взаимодействия ЭМП с иными экологическими факторами. Однолетние растения, вегетирующие на определённой площадке, могут дать представление об изменениях в череде поколений и возможных адаптационных процессах в ответ на воздействие ЭМП.

В настоящем обзоре мы описываем литературные и собственные данные по действию полей, генерируемых ЛЭП, на растения.

ПРЯМЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ В ЗОНАХ ЛЭП

Одним из показателей действия полей ЛЭП может быть оценка величины флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков (ФА). Данный показатель определяется как случайное отклонение от идеальной билатеральной симметрии и используется для оценки стабильности развития организмов. Изменение асимметрии нейтрально по отношению к продукционным компонентам приспособленности. Для растений это показано натурными и экспериментальными наблюдениями на Piriqueta caroliniana (Walter) во Флориде [Handy et al, 2004]. Келлог [Kellogg, 1994] изучал флуктуирующую асимметрию листьев фасоли Phaseolus vulgaris L., растущей непосредственно под проводами ЛЭП и на удалении от неё. Значения ФА оказались наибольшими у растений, выросших непосредственно под ЛЭП [Kellogg, 1994, цит. по: Freeman, et al., 1999]. Схожие результаты получены для асимметрии листьев сои Glycine max L., рас-

тущей в полях штата Огайо, США [Freeman et al., 1999]. У сои листья тройчатосложные, что даёт возможность множественных измерений, проводимых на одном листе. Учеными была оценена ФА у растений под ЛЭП 675 кВ и у растений, взятых на расстоянии 50 и 100 м от провода. Анализ данных показал, что изменчивость ФА не зависит ни от состава почвы, ни от размеров листьев, но зависит от расстояния до ЛЭП. Средние размеры листьев варьировали по местам взятия образцов, но без какой-либо закономерности [Freeman et al., 1999]. Повышение уровня ФА в какой-либо популяции может служить сигналом внешнего воздействия на неё, не сопровождающегося ни негативными, ни позитивными последствиями для её «самочувствия». Последствия становятся значимыми тогда, когда меняются рост особей и скорость их размножения.

Обширные работы были проведены сотрудниками Томского университета под ЛЭП

500 кВ в 1980-1984 гг. [Плеханов, 1990 (Plekhanov, 1990)]. ЛЭП эксплуатировались с 1967 г. Они пересекают различные биоценозы, а также посевы овса, картофеля, пшеницы, гороха и подсолнечника. Изучение возможного влияния полей ЛЭП на растительные объекты велось по нескольким направлениям: сравнение видового состава растений в зоне ЛЭП и за её пределами; сопоставление обилия наиболее типичных видов под ЛЭП и рядом с ними; морфометрия отдельных видов в агроценозах и в естественных биоценозах. Не было обнаружено влияния фактора нахождения биоценозов под проводами ЛЭП на видовой состав и обилие отдельных видов. Возможно, большое разнообразие естественных микроэкологических условий маскировало действие ЛЭП [Плеханов, 1990 (Plekhanov, 1990)]. На пшеничном поле, через которое проходят ЛЭП, изучались следующие показатели: общее число побегов, число колосящихся растений, количество недоразвитых побегов, высота нормальных побегов, длина колосьев. По сумме полученных результатов было установлено, что под прово-

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬН Прямые природные наблюдения за реакцией растений на поля ЛЭП трудоёмки, а результаты их могут быть противоречивы, завися от текущих или предыдущих погодных условий. Поэтому в различных лабораториях в стандартизированных условиях проводились опыты с использованием ЭМП частотой 50 или 60 Гц и различной величиной магнитной индукции. Экспонирование гороха Pisum sativum L. в ЭМП 60 Гц в течение 2 суток снижало митотический индекс в клетках корешков и тормозило их рост. После прекращения воздействия поля эти показатели возвращались к уровню контроля [Brulfert et al., 1985; Robertson et al., 1981]. По данным Браймана с соавторами действие магнитного поля с частотой 60 Гц в течение двух суток на корешки огурца Cucumis sativus L. и крупноплодной тыквы Cucurbita maxima Duchesne ex Lam. сопровождалось снижением клеточного роста у этих видов [Brayman et al., 1987]. Снижение темпа роста растений может быть связано с ингиби-рованием поглощения углекислоты при действии ЭМП. Это предположение подтверждается результатами, полученными при длительной (6-15 суток) экспозиции проросших семян редиса Raphanus sativus L. в магнитном поле с частотой 60 Гц и индукцией 50 мкТл [Yano et al., 2004]. Исследование роста корешков фасоли Vicia faba L. в экспериментально индуцированном электрическом поле 60 Гц показало снижение этого показателя до 35% от кон-

дами ЛЭП уменьшается кустистость, но увеличивается доля развитых и колосящихся растений [Плеханов, 1990 (Plekhanov, 1990)].

Другие исследователи изучали продукционные показатели озимой пшеницы Triticum aestivum L. и кукурузы Zea mays L., специально выращенных на площадках непосредственно под проводами ЛЭП и на площадках в 40 м от крайнего провода [Soja et al., 2003]. Напряжение в данной линии составило 380 кВ при частоте 50 Гц, величина магнитной индукции была от 0.4 мкТл в 40 м от ЛЭП до 4.5 мкТл в непосредственной близости. Сырая масса зёрен пшеницы на делянках, максимально приближенных к ЛЭП, оказалась в среднем на 7% ниже по сравнению с удалёнными участками. Для кукурузы никакой разницы в росте между растениями под ЛЭП и в удалении от неё зафиксировано не было [Soja et al., 2003]. Отметим, что мы не обнаружили в литературе сведений о наблюдениях за водными растениями, находящимися под проводами ЛЭП, несмотря на то, что ЛЭП пересекают водоёмы различных типов.

ИТАЦИЯ ПОЛЕЙ ЛЭП

трольного значения. При этом, после прекращения воздействия, рост восстанавливался на четвёртые сутки [Inoue et al, 1985]. Раджендра с соавторами [Rajendra et al., 2005] подвергали действию ЭМП 50 Гц с величиной магнитной индукции 5, 50 и 100 мкТл рассаду V. faba. Авторы анализировали рост, содержание сахаров и белков, а также активность амилаз, протеаз и липаз. Изменений в содержании сахаров и белков обнаружено не было, но на 2-ой и 4-ый дни опыта падала активность некоторых ферментов. К 8-му дню значения ферментативной активности возвращались к контрольному уровню. Темп роста растений в экспериментальных условиях был выше, чем в контрольных. Авторы сделали вывод о том, что экспозиция растущей фасоли в ЭМП с указанными параметрами не приводит к каким-либо отрицательным последствиям [Rajendra et al., 2005].

Реакция растений разных видов на воздействия ЭМП с одинаковыми характеристиками может быть различной. Дэвис [1996] проводил эксперименты с полем частотой 60 Гц на трёх видах растений - редисе Raphanus sativus L., горчице Sinapsis alba L. и ячмене Hordeuin vulgare L. Оценивались сырая и сухая масса стеблей и корней, высота растений и прочие размерно-массовые показатели в период с 9-го по 21-й дни развития. В результате было показано, что большинство размерно-массовых показателей редиса в опыте превышало таковые в контроле. Растения горчицы

не отреагировали на приложенное воздействие. Результаты для ячменя были не стабильны: направление реакции менялось от повтор-ности к повторности [Davies, 1996]. Весь массив результатов, полученных в цитируемой работе, можно разделить на 3 группы: однонаправленная воспроизводимая реакция - вариант редиса; нестабильная по выраженности и направлению реакция - вариант ячменя; отсутствие реакции - вариант горчицы. Вероятно, варианты реакции на ЭМП не связаны с систематическим положением использованных видов. Редис и горчица, показавшие совершенно различные реакции, принадлежат к одному семейству Brassicaceae. Возможно, величина отклика развивающегося растения на ЭМП зависит от стадии развития, на которую приходится воздействие. Для проростков пшеницы установлено, что если подействовать ЭМП 50 Гц, 30 мТл на стадии формирования корней, то их количество, а также длина значимо увеличиваются по сравнению с контролем. Экспозиция на более поздних стадиях развития приводит к увеличению только всхожести семян, а действие того же поля на проростки со вторых суток ведёт к уменьшению числа корней [Aksyonov et al., 2001]. Экспозиция растений в ЭМП с частотой 50 Гц может не только стимулировать или угнетать их рост, но и влияет на размножение. Показано, что действие этого фактора на киви Actinidia deliciosa (A. Chev.) способно вызвать нарушения развития пыльцевых трубок, что снижает вероятность оплодотворения [Dattilo et al., 2005].

Изменения у растений таких показателей как линейный и весовой рост, содержание ведущих биохимических компонентов, ферментативная активность и проч. под действием ЭМП промышленной частоты принципиально обратимы на уровне особи в одном поколении. В противоположность этому возможные нарушения хромосомного аппарата могут быть устранены только путём удаления клеток с такими аберрациями из дальнейшего размножения. Частота появления клеток с нарушениями митотического процесса надёжно отражает мутационный потенциал различных агентов, в том числе и ЭМП промышленной частоты. Не менее важным показателем влияния на клеточный цикл является сравнительная продолжительность фаз митоза. Повышенная частота хромосомных мутаций может свидетельствовать о проходящей в ответ на действие полей ЛЭП генетической адаптации. Рэпли с соавторами [1998] подвергали растущие корешки бобов V. faba воздействию ЭМП с частотой 50,

60 и 75 Гц при величине индукции 1.5 мТл в течение 3 суток. Во всех трёх вариантах эксперимента длительность профазы митоза оказалась увеличена по сравнению с контролем. Повышения частоты хромосомных аберраций при этом обнаружено не было [Rapley et al., 1998]. На двух видах растений, луке Allium cepa L. и пшенице-однозернянке Triticum boeoticum Boiss. были проведены полевые и экспериментальные работы по оценке частоты аномальных митозов и величине митотическо-го индекса при экспонировании их в ЭМП линии электропередач 380 кВ. Растения находились на расстоянии 0, 10, 25, 50 и 100 м от проводов ЛЭП. Данные с дистанции 100 м считались эталонными. Проращиваемые луковицы экспонировались 3 суток, а семена пшеницы были собраны там же в поле и проращены в лаборатории. Оба вида показали увеличение частоты встречаемости клеток с аномальными митозами и повышение митотического индекса в корнях растений, находившихся вблизи ЛЭП [Aksoy et al., 2010]. При этом связь между величиной митотического индекса и частотой аберрантных митозов была скорее качественная, чем количественная. Резкое увеличение частоты аберрантных митозов наблюдалось после достижения определённого предела в значении митотического индекса. До достижения этого предела частота хромосомных аберраций увеличивалась слабо с возрастанием митотического индекса [Aksoy et al., 2010]. В экспериментах на проростках подорожника среднего Plantago media L. действие ЭМП с частотой 50 Гц и индукцией 350— 2000 нТл вызывало снижение всхожести семян, скорости деления клеток и скоростей протекания биосинтеза ДНК и белка [Shashurin et al., 2014]. Наиболее важным результатом данной работы, на наш взгляд, является обнаружение изменений в скорости синтеза ДНК. Как показали недавние исследования сотрудников из Университета Дьюка (США), в структуре ДНК имеется "встроенный таймер", определяющий частоту возникновения спонтанных мутаций. Последние возникают вследствие ошибок вставки азотистых оснований. Изменение скорости репликации внешними воздействиями может привести к увеличению частоты таких ошибок, следовательно, к возрастанию частоты мутаций [Kimsey et al, 2018]. Нельзя исключить того, что низкочастотные ЭМП способны быть одним из факторов, провоцирующих такой процесс.

Обобщая цитированные выше литературные источники, можно констатировать, что ЭМП с частотой 50 и 60 Гц могут вызвать раз-

личные реакции у растении, включая нулевые ответы, стимулирование и подавление. При этом ни один источник не сообщает о критическом уровне вызванных изменении. Это не

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С

Недостаток сведении о деиствии полеи ЛЭП на водные растения мы попытались возместить в экспериментах с ряскоИ Lemna minor L. Это растение было выбрано в качестве модельного из-за широкого распространения, большои численности в местах обитания, быстрого вегетативного размножения и возможности лабораторного культивирования. В 2016 году были получены данные по росту и скорости вегетативного размножения листецов ряски, помещённых под провода ЛЭП 50 кВ около посёлка Борок Некоузского раИона Ярославской области. Для оценки действия ЭМП, создаваемых ЛЭП, были выбраны 3 точки: 1 -непосредственно под крайним проводом; 2 - в 20 м. от крайнего провода; 3 - в 40 м. от крайнего провода. Индукция генерируемого ЛЭП переменного магнитного поля с частотой 50 Гц, измеренная магнитометром НВ 00599Б (НПО «ЭНТ», Санкт-Петербург) на уровне земли, составила 150 нТл в точке 1, 60 нТл в точке 2 и 10 нТл в точке 3. Последнее значение находится вблизи порога чувствительности прибора и может быть принято за фоновое (контрольное). В каждой точке на уровне земли помещали по 3 пластиковых контейнера, в которых находилось по 5 двухлистецовых растений ряски. Экспозиция продолжалась 5 суток, после чего оценивали длину листецов, удельную скорость размножения, митотиче-ский индекс и частоту аномальных митозов. Эксперимент был проведен в пяти повторно-стях: 23.06, 29.06, 14.07, 27.07 и 05.09.

Оказалось, что нахождение растений в точках 1 и 2 снижало удельную скорость размножения и угнетало рост листецов. Цитологических отклонений, также как и изменений митотического индекса, обнаружено не было. Результаты опытов, проводимых в поле, могут в значительной степени зависеть от сезона года, а также от конкретных погодных условий во время их проведения. По нашим наблюдениям, похолодание или длительная пасмурная погода могут в большей степени снизить рост и интенсивность вегетативного размножения ряски, чем пребывание под проводами ЛЭП.

В 2017 году был поставлен лабораторный эксперимент, в котором имитировали магнитное поле ЛЭП в точке 1 в опытах 2016 года (50 Гц, 150 нТл). Эксперимент проходил в термостатированном помещении при 23оС и световом режиме 16 часов день и 8 ча-

удивительно, учитывая, что низкочастотные ЭМП по своим физическим характеристикам относятся к слабым воздействиям.

РЯСКОЙ LEMNA MINOR L.

сов ночь. Продолжительность экспозиции составила 15 суток. В 6 полипропиленовых сосудов было помещено по 15 одиночных разноразмерных листецов: по 3 сосуда в опытный и контрольный варианты. В контроле величина магнитной индукции для поля промышленной частоты (50 Гц) составила 20 нТл. Каждые 3 суток во всех сосудах подсчитывали количество листецов и измеряли их длины. Результаты опыта представлены на рисунке 1. Из-за неоднозначности полученных данных, их можно назвать характерными для опытов с низкочастотными ЭМП.

Рис. 1. Влияние ЭМП на линейный рост (а) и вегетативное размножение (б) листецов ряски.

Fig. 1. Effect of EMF on linear growth (a) and vegetative reproduction (b) of duckweed fronds.

Если оценивать результаты в разные дни от начала опыта, можно сделать 3 вывода. 1 -исследуемое магнитное поле стимулирует линейный рост листецов, но не влияет на их вегетативное размножение (рис. 1, 3-и сутки опыта). 2 - исследуемое магнитное поле не влияет на линейный рост листецов, но подавляет вегетативное размножение (рис. 1, 6-е сутки опыта). 3 - исследуемое магнитное поле

подавляет линейный рост и вегетативное размножение листецов (рис. 1, последующие сутки опыта). Итоговый эффект длительной экспозиции будет соответствовать 3-му выводу, для получения которого потребовалось изучение временной динамики оцениваемых показателей. Мы полагаем, что именно оценка временной динамики различных показателей растительных объектов в ЭМП даёт объективную оценку их действия.

Анализ литературных и собственных данных по действию ЭМП, характерных для ЛЭП, выявил многообразие ответов растений. На наш взгляд, этих данных всё же не достаточно. Описанные результаты, прежде всего, подводят к вопросу: существует ли адаптация растений к длительному обитанию в зонах отчуждения ЛЭП и каковы её возможные механизмы. На решение этого вопроса могут быть направлены последующие исследования.

Работа выполнена в рамках государственного задания (тема № АААА-А18-118012690222-4).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Плеханов Г.Ф. Основные закономерности низкочастотной электромагнитобиологии. Томск: Изд-во Томского университета, 1990. 188 с.

Aksoy H., Unal F., Ozcan S. Genotoxic effects of electromagnetic fields from high voltage power lines on some plants // Int. J. Environ. Res. 2010. Vol. 4. № 4. P. 595-606.

Aksyonov S.I., Bulychev A.A., Grunina T.Yu., Goryachev S.N., Turovetsky V.B. Effects of ELF-EMF treatment on wheat seeds at different stages of germination and possible mechanisms of their origin // Electromagn. Biol. Med. 2001. Vol. 20. № 2. P. 231-253.

Brayman A.A., Miller M.W., Cox C. Effects of 60-Hz electric fields on cellular elongation and radial expansion growth in cucurbit roots // Bioelecromagnetics. 1987. Vol. 8. № 1. P. 57-72.

Brulfert A., Miller M.W., Robertson D., Dooley D.A., Economou P. A cytohistological analysis of roots whose growth is affected by a 60-Hz electric field // Bioelectromagnetics. 1985. Vol. 6. № 3. P. 283-291.

Dattilo A.M., Bracchini L., Loiselle S.A., Ovidi E.. Tiezzi A., Rossi C. Morphological anomalies in pollen tubes of Actinidia deliciosa (kiwi) exposed to 50 Hz magnetic field // Bioelectromagnetics. 2005. Vol. 26. № 2. P. 153-156.

Davies M.S. Effects of 60 Hz electromagnetic fields on early growth in three plant species and a replication of previous results // Bioelectromagnetics. 1996. Vol. 17. № 2. P.154-161.

Freeman D.C., Graham J.H., Tracy M., Emlen J.M., Alados C.L. Developmental instability as a means of assessing stress in plants: a case study using electromagnetic fields and soybeans // Int. J. Plant Sci. 1999. Vol. 160(suppl.). P. S157-S166.

Handy S.M., McBreen K., Cruzan M.B. Patterns of fitness and fluctuating asymmetry across a broad hybrid zone // Int. J. Plant Sci. 2004. Vol. 165. № 6. P. 973-981.

Inoue M., Miller M.W., Cox C. Growth rate and mitotic index analysis of Vicia faba L. roots exposed to 60-Hz electric fields // Bioelectromagnetics. 1985. Vol. 6. № 3. P. 293-303.

Kellogg C. Effects of electromagnetic fields on the growth and development of bean leaves. MS thesis. Detroit: Wayne State University, 1994.

Kimsey I.J., Szymanski E.S., Zahurancik W.J., Shakya A., Xue Y., Chu C.C., Sathyamoorthy B., Suo Z., Al-Hashimi H.M. Dynamic basis for dG-dT misincorporation via tautomerization and ionization // Nature. 2018. Vol. 554. P. 195-201.

Rajendra P., Sujatha Nayak H., Sashidhar R.B., Subramanyam C., Devendranath D., Gunasekaran B., Aradhya R.S., Bhaskaran A. Effects of power frequency electromagnetic fields on growth of germinating Vicia faba L., the broad bean // Electromagn. Biol. Med. 2005. Vol. 24. № 1. P. 39-54.

Rapley B.I., Rowland R.E., Page W.H., Podd J.V. Influence of extremely low frequency magnetic fields on chromosomes and the mitotic cycle in Vicia faba L., the broad bean // Bioelectromagnetics. 1998. Vol. 19. P. 152-161.

Robertson D., Miller M.W., Cox C., Davis H.T. Inhibition and recovery of growth processes in roots of Pisum sativum L. exposed to 60-Hz electric fields // Bioelectromagnetics. 1981. Vol. 2. № 4. P. 329-340.

Shashurin M.M., Prokopiev I.A., Shein A.A., Filippova G.V., Zhuravskaya A.N. Physiological responses of Plantago media to electromagnetic field of power-line frequency (50 Hz) // Russ. J. Plant Physiol. 2014. Vol. 61. № 4. P. 484-488.

Soja G., Kunsch B., Gerzabek M., Reichenauer T., Soja A.M., Rippar G., Bolhar-Nordenkampf H.R. Growth and yield of winter wheat (Triticum aestivum L.) and corn (Zea mays L.) near a high voltage transmission line // Bioelectromagnetics. 2003. Vol. 24. № 2. P. 91-102.

Yano A., Yoshiaki O., Tomoyuki H., Kazuhiro F. Effects of a 60 Hz magnetic field on photosynthetic CO2 uptake and early growth of radish seedlings // Bioelectromagnetics. 2004. Vol. 25. № 8. P. 572-581.

REFERENCES