CC BY
30
УДК 504.054
Г.В. Омельченко12, Т.В. Вардуни1, Е.А. Бураева1, А.К. Шерстнев1,
И.Е. Никанорова2
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БРИОФЛОРЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ГЕНОТОКСИЧНОСТИ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
г. РОСТОВА-НА-ДОНУ
Научно-исследовательский институт биологии Южного федерального университета,
Ростов-на-Дону
2Ростовский государственный медицинский университет, кафедра химии
Цель: оценить генотоксичность приземного слоя воздуха г.Ростова-на-Дону с использованием мха пи-лезии многоцветковой.
Материалы и методы: Анализировали уровень аберраций хромосом в корневой меристеме гороха посевного (Pisum sativum L), пророщенного на экстракте пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha), отобранной на исследуемых площадках города Ростова-на-Дону анафазным методом. Содержание радионуклидов определяли инструментальным гамма-спектрометрическим методом с использованием низкофоновой специализированной установки РЭУС-П-15. Химический анализ проб мха проводили с помощью «Спектро-скан MAKC-GV».
Результаты: Зафиксировано достоверное превышение уровня аберраций хромосом по сравнению с контролем. Рассчитаны коэффициенты концентрирования радионуклидов и тяжелых металлов и суммарный показатель загрязнения площадок г. Ростова-на-Дону.
Заключение: Выявлены районы максимальной мутагенной активности атмосферного воздуха г. Ростова-на-Дону.
Ключевые слова: радионуклиды, аберрации хромосом, генотоксичность, мутаген, бриофлора.
G.V. Omelchenko12, T.V. Varduni1, E.A. Buraeva1, А.К. Sherstnev1, IX. Nikanorova2
USAGE OF BRYOFLORA FOR GENOTOXICITY ESTIMATION OF ATMOSPHERIC AIR OF ROSTOV -ON-DON
1Research institute of biology of Southern federal university 2Rostov State Medical University, Chemistry Department
Purpose: To estimate genotoxicity of a ground layer of air of Rostov-on-Don with use of a moss Pylaisiella polyantha.
Materials and methods: Analyzed a level of chromosomes' aberrations in root meristem peas sowing (Pisum sativum L), grown on an extract Pylaisiella polyantha (Pylaisia polyantha), selected on investigated areas of city of Rostov-on-Don by method pertaining to anaphase. The maintenance of radionuclides defined by tool scale-spectrometer method with usage of a specialized low background installation РЭУС-II-15. The chemical analysis of tests of a moss was fulfilled by means of «Spectroscan MAX-GV».
Results: authentic excess of a level of aberrations of chromosomes in comparison with the control was fixed. Factors of radionuclides concentration of heavy metals and a total parameter of pollution of areas in Rostov-on-Don are calculated.
Summary: areas of the maximal mutagen activity of atmospheric air of Rostov-on-Don are revealed.
Keywords: radionuclides, aberrations of chromosomes, genotoxicity, mutagen, bryoflora.
Введение
Урбанизированные экосистемы испытывают на себе негативные последствия антропогенной активности, включающие загрязнение окружающей среды токсическими веществами. Эффективность биомониторинга определяется возможностью прогнозирования и моделирования экологической опасности в урбанизированных экосистемах по данным биоиндикации и биотестирования, информативностью используемых показателей.
Растительные организмы традиционно используют в качестве тест-систем для биологической индикации качества окружающей среды, мониторинга мутагенов в окружающей среде [1-4]. Растительные тест-объекты отличаются чувствительностью к поллютантам, несложным культивированием и имеют реакцию, сопоставимую с таковой у других тест-объектов. При проверке факторов окружающей среды на генотоксичность, растительные тест-системы незаменимы в силу целого ряда преимуществ, среди которых необходимо назвать возможность проведения многолетних мониторинговых исследований в природной среде, оценки ге-нотоксичности недифференцированных факторов, действующих на исследуемых природных и урбанизированных территориях.
Известно, что бриофиты эффективно используются в качестве объектов биоиндикации. При этом учитывается изменение биохимических и физиологических процессов, а также отклонение от контроля таких параметров, как содержание пигментов, уровень флуоресценции хлорофилла, концентрация малонового диальдегида.
Способность мохообразных к первичному перехватыванию и аккумулированию различных химических элементов в связи с возрастом и ростом, экологией видов и особенностями распространения изучены довольно хорошо [5]. Особый интерес представляет бриофлора урбанизированных территорий, являющаяся важным элементом городской растительности и часто использовавшаяся для индикаторов атмосферного загрязнения, биоиндикационного картирования территорий города. С помощью бриоиндикации определялись наличие в атмосфере сернистого газа, тяжелых металлов, токсических органических соединений, было оценено влияние на городскую среду выбросов ряда промышленных предприятий. Многие исследователи отмечают удобство мхов в качестве объекта мониторинговых исследований, так как они успешно произрастают в условиях сильного атмосферного загрязнения [6]. Ряд исследований посвящен оценке способности отдельных видов мхов накапливать тяжелые металлы (ТМ) [7] При этом авторы указывают на различия в сорбции у различных видов мхов. По данным относительная эффективность накопления 137Cs и 90Sr живыми мхами в десятки раз превосходит соответствующие показатели продуктов метаболизма (опавшая листва) и плодов древесных растений (белой акации и липы).
Основная цель исследования - оценка гено-токсичности приземного слоя воздуха г.Ростова-на-Дону с использованием мха пилезии много-
цветковой. Для решения поставленной цели были сформулированы следующие задачи: оценить способность экстракта пилезии многоцветковой, индуцировать аберрации хромосом в корневой меристеме гороха посевного; оценить радионуклидный и химический состав исследуемых образцов мха; выявить районы максимальной мутагенной активности атмосферного воздуха:
Материалы и методы
Оценка генотоксичности приземного слоя воздуха проводилась в 2010-2012 гг. Были определены площадки мониторинга в различных зонах г. Ростова-на-Дону, характеризующихся экологической специфичностью и разной степенью антропологической нагрузки, а также с учетом расположения функциональных зон г. Ростова-на-Дону. Под функциональными зонами понимали селитебные; промышленные; парки, скверы, дачи. Расположение площадок в различных зонах г. Ростова-на-Дону.
Автотранспортная зона — охватывает территории с автомобильным движением различной интенсивности, транспортными развязками;
Промышленная зона — территории ТЭЦ, ТЭЦ-2, заводов;
Зоны, сочетающие промышленную и автотранспортную нагрузки - территории, характеризующиеся наличием промышленных предприятий и автомагистралей с интенсивным потоком автотранспорта;
Парковая зона (точка относительного контроля) характеризующаяся отсутствием промышленных предприятий и интенсивного движения автотранспорта.
Фоновая зона (удаленная более чем на 100 км от урбанизированной экосистемы (г. Ростова-на-Дону), со сходными природно-климатическими условиями
Для оценки генотоксичности приземного слоя воздуха был использован мох пилезия многоцветковая (Pylaisia polyantha), обнаруженная на всех растениях тополя исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону
Оценивали уровень аберраций хромосом в корневой меристеме гороха посевного (Pisum sativum L), пророщенного на экстракте пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha).
Для исследования были отобраны пробы мха с коры растений тополя на исследуемых площадках города Ростова-на-Дону. Видовое определение мхов проводили по общепринятым методикам в лабораторных условиях, для каждой исследуемой площадки используя руководство Игнатова [8]. Эпифитные мхи, произрастающие на коре тестируемых растений тополя (Populus deltoides) исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону, были идентифицированы как Hygroam blystegiumvarium (Hedw.); Ceratodon purpureus Brid; Pylaisia polyantha (Hedw.) ; Hypnumcu pressiforme Hedw.; Bryumargenteum Hedw.; Leskeapolycarpa-Hedw. Вид пилезия многоцветковая (Pylaisia polyantha), доминирующий эпифитный мох, встречается на
всех исследуемых площадках, имеет продолжительный жизненный цикл, высокие аккумуляционные способности.
Готовили экстракт мха пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha), который использовали для проращивания семян гороха посевного (Pisum sativum). Уровень аберраций хромосом в корневой меристеме гороха анализировали анафазным методом.
Параллельно с оценкой генотоксичности недифференцированных факторов среды с помощью указанных тест-объектов осуществляли анализ содержания радионуклидов и химико-аналитические исследования в пробах мха.
Для определения радионуклидного состава пробы высушивали в сушильном шкафу при температуре 105-110°С до постоянной массы в течение суток, затем пробу измельчали. Содержание радионуклидов в отобранных образцах определяли инструментальным гамма-спектрометрическим методом радионуклидного анализа с использованием низкофоновой специализированной установки РЭУС-П-15 на основе полупроводникового GeНР детектора, счетных геометрии Дента 0.02 л и 0.04 л. и применением стандартных методик анализа [9]. Рассчитывали коэффициент концентрирования Кк радионуклидов как: Кк= Кэ/Кф, где Кэ — удельная активность радионуклидов в пробе; Кф — удельная активность радионуклидов в фоновых пробах.
Химический анализ проб мха проводили с помощью «Спектроскан MAKC-GV», предназначенного для качественного и количественного рентге-нофлуоресцентного анализа твердых, порошковых и жидких проб. Рассчитывали коэффициент концентрирования (Кк) для ряда элементов тяжелых металлов как: Кк= Кэ/Кф, где Кэ - содержание элемента тяжелого металла в пробе; Кф- содержание элемента в фоновых пробах.
Рассчитывали суммарный показатель загрязнения (Zc) исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону как: Zc=ZКс-(n-1); где Кс- коэффициент концентрирования ряда элементов тяжелых металлов, для которых этот коэффициент >1, n - число учитываемых элементов тяжелых металлов, для которых Кс >1.
Результаты исследования
В многолетнем мониторинге была оценена способность экстракта пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha), произрастающей на растениях тополя исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону, индуцировать аберрации хромосом в корневой меристеме гороха посевного (Pisum sativum), используемого в качестве модельного объекта. Исследования проводились на протяжении 3-х лет (2010-2012 гг.) (рис.1).
Частота аберрантных анафаз за 3 года
I фон 1 От. К 23456789 10
>, ■ Частота (%) аберрантных анафаз 2010г Частота {%) аберрантных анафаз 2011 г
■ Час i oía (%} аберрантных анафаз 2012 г
Рис.1. Уровень аберраций хромосом в корневой меристеме гороха посевного, пророщенного на экстракте пилезии
многоцветковой (Pylaisia polyantha) за три года (2010-2012 гг.)
Автотранспортная зона: (пл. 9 - Змиевский проезд, пл. 10 - пр. Шолохова); Промышленная зона: (пл. 2-ТЭЦ; пл. 3 -ТЭЦ 2, ОАО ГПЗ - 10); Зоны, сочетающие промышленную и автотранспортную нагрузки (пл. 4 -ул.Портовая, пл. 5 ул. Сиверса; пл. 6 - пр.Буденовский, пер. Доломановский/ул. Текучева и Мечникова; пл. 7 - ул. Вавилова; пл. 8 - ул. Таганрогское шоссе); Парковая зона ( пл. 1 относительный контроль - Ботанический сад)
Валовое содержание тяжелых металлов в пробах пилезии многоцветковой исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону сравнивали с валовым содержанием тяжелых металлов в «фоновых» мхах. В качестве фоновых значений приняли концентрации тяжелых металлов во мхах на территории, где содержание большинства из изученных металлов
(исключение V и Си ) во мхах было наименьшим. Степень аккумуляции элементов в пилезии многоцветковой определяли по коэффициенту концентрирования (Кк), рассчитанного для ряда элементов тяжелых металлов. Для каждой площадки рассчитан суммарный показатель загрязнения ^с) (рис. 2).
Относительная ошибка не превышала 7% для Р<0,05
Рис.2. Валовое содержание As, N1» Zn, Pb, V, Sr, ^ в пробах пилезии многоцветковой
(Pylaisia polyantha) ppm (мг/кг).
Автотранспортная зона: (пл. 9 - Змиевский проезд, пл. 10 - пр. Шолохова); Промышленная зона: (пл. 2-ТЭЦ; пл. 3 - ТЭЦ 2, ОАО ГПЗ - 10); Зоны, сочетающие промышленную и автотранспортную нагрузки (пл. 4 -ул.Портовая, пл. 5 ул. Сиверса; пл. 6 -пр.Буденовский, пер. Доломановский/ул. Текучева и Мечникова; пл. 7 - ул. Вавилова; пл. 8 - ул. Таганрогское шоссе); Парковая зона ( пл. 1 относительный контроль - Ботанический сад))
Способность пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) накапливать радионуклиды была оценена по отношению к 4 радионуклидам: 137Cs, 226Ra, 232Th и 40К с учетом фона. Выбор в качестве объекта исследования указанных радионуклидов обусловлен тем, что экорадиационная обстановка г. Ростова-на-Дону и области определяется, в основном, наличием этих загрязнителей. Удельную активность радионуклидов в пробах пиле-зии многоцветковой (Pylaisia polyantha) исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону сравнивали с удельной активностью в «фоновых» мхах, в приземном воздухе и почве. Степень аккумуляции радиоинуклидов в пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) определяли по коэффициенту концентрирования (Кк). Результаты определения удельной активности радионуклидов пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) представлены на рис. 3.
Обсуждение результатов
Результаты цитогенетического анализа. Как видно из результатов, представленных на рисунке 2, на всех исследуемых площадках г. Ростова-на-Дону в течение трех лет (2010-2012 гг.) зафиксировано достоверное превышение уровня аберраций хромосом (Ахр) по сравнению с контролем. Наибольший процент аберраций хромосом на протяжении трех лет исследования индуцировал экстракт пилезии многоцветковой, полученный в Ленинском, Железнодорожном, Октябрьском районах. Минимальное превышение уровня аберраций хромосом по сравнению с точкой относительного контроля достигало 1,5 раз, максимальное — 3 раза. Превышение фоновых значений составило от 2,1 до 7 раз. Способность мха аккумулировать мутагенные факторы среды позволяет не только достоверно оценить экологическое состояние урбанизированных территорий, но и выявить отдельные компоненты, оказывающие мутагенное воздействие на почечную и корневую меристему.
а: LO
л i-u О X
и £
га сс га х -о
а>
=1 >
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
I
фон 1 От.К
. I
J.
10
iCs-i37 ■ Ra-226 ити-гзг
I К-40
Рис. 3. Удельная активность137Cs, 226Ra, 232№ и 40К в пробах пилезии мнтогоцветковой (Pylaisia polyanthа)
исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону.
Автотранспортная зона: (пл. 9 - Змиевский проезд, пл. 10 - пр. Шолохова); Промышленная зона: (пл. 2-ТЭЦ; пл. 3 - ТЭЦ 2, ОАО ГПЗ - 10); Зоны, сочетающие промышленную и автотранспортную нагрузки (пл. 4 -ул.Портовая, пл. 5 ул. Сиверса; пл. 6 - пр.Буденовский, пер. Доломановский/ул. Текучева и Мечникова; пл. 7 - ул. Вавилова; пл. 8 - ул. Таганрогское шоссе); Парковая зона ( пл. 1 относительный контроль - Ботанический сад)
Определение валового содержания тяжелых металлов в пробах пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha), произрастающей на растениях тополя (Populus deltoides), позволило оценить ее аккумуляционную способность в природных условиях и экологическое состояние районов исследования, используя методы инструментального контроля. Превышение фонового уровня отмечено для цинка от 1,2 до 5,9 раз, для стронция - от 1,2 до 2,7 раз, для свинца - от 1,2 до 3,1раз. В остальных случаях превышение незначительны (V, Сг), либо зафиксированы значения ниже фоновых (Cu, Ni). В пробах из всех районов, кроме Советского (площадка 2) и Октябрьского (площадка 8), обнаружены следовые значения Co. Ряд Кк для тяжелых металлов, концентрация которых достоверно пер-вышает фоновую, выглядит следующим образом: Ленинский район (Кк) V> Cr > Sr> Zn> Pb; Советский район (Кк) Co> Zn>Sr>Pb>Cr> V; Железнодорожный район (зафиксированы высокие показатели по Sr (Кк 2,7), Cr (Кк 2,2), V(^ 2,0), Zn (Кк 1,5), (Кк) Sr > Cr > V > Zn; Октябрьский район (Кк) Zn > Pb> Cr>V> Co; Первомайский район (Кк) Zn >V > Pb> V> Sr> Cr. Таким образом, пиле-зия многоцветковая (Pylaisia polyantha) в наибольшем количестве накапливает следующие элементы группы тяжелых металлов: Zn (Кк от 1,2 до 5,9), Cr (Кк от 1,2 до 2,6), Pb (максимальный Кк — 3,1), Sr (максимальный Кк — 2,7), Ni (максимальный Кк -1,07), Cu (максимальный Кк -1,0). По величине Кк все аккумулируемые пилезией многоцветковой изученные элементы образуют ряд биологического поглащения (в соответствии с их способностью концентрироваться в пилезии многоцветковой) Zn >Pb> Sr > Cr> V > Ni> Cu> Максимальный
суммарный коэффициент загрязнения наблюдался в промышленной зоне (районы ТЭЦ и ТЭЦ 2 и ОАО ГПЗ-10).
Удельная активность радионуклидов в аэрозольной пыли приземного слоя воздуха Аап (Бк/кг) определена из объемной активности его в аэрозолях Аоа (Бк/м3) с учетом запыленности атмосферы (m, г/м3). Средняя удельная активность 137Cs, 224Ra, 232Th, 40K и в пробах мха, почвах и аэрозольной пыли совпадают в пределах погрешности определения (20%). Кк для 137Cs в точках, где удельная активность 137Cs превышает фоновые значения, колеблется в пределах от 1,05 до 6,6. Максимальные значения Кк зафиксированы в Ленинском, Железнодорожном и Октябрьском районах.
Кк для 226Ra колеблется в пределах от 1,8 до 55. Максимальные значения Кк зафиксированы в Советском и Первомайском районах. Кк для 232Th колеблется в пределах от 1,06 до 25. Максимальные значения Кк зафиксированы в Советском и Ленинском районах Кк для 40K в пилезии многоцветковой колеблется в пределах от 1,2 до 7,8. Максимальные значения Кк зафиксирован в Ленинском, Первомайском и Советском районах. Одной из причин превышения удельной активности 226Ra в образцах пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) может быть близость ТЭЦ, работающие на угле. Как известно, среднемировая удельная активность 226Ra в летучей золе ТЭЦ, работающей на угле, составляет 240 Бк/кг (7). Основным фактором, оказывающим непосредственное влияние на удельную активность 137Cs в приземном слое воздуха, является удельная загрязненность приземной атмосферы. Удельная активность искусственного радионуклида 137Cs в пробах пилезии многоцветковой (Pylaisia
polyantha) вероятно обусловлено атмосферными выпадениями и ветровым подъемом пыли с подстилающей поверхности.
Удельная активность 40K в образцах значительно выше, чем 137Cs, 226Ra и 232Th. Это объясняется тем, что калий является макроэлементом, необходимым живым организмам при обменных процессах.
Выводы
1.По результатам оценки генотоксичности экстракта пилезии многоцветковой были выявлены районы максимальной мутагенной активности атмосферного воздуха: Октябрьский, Ленинский и Железнодорожный районы (точки расположены в зоне, сочетающей промышленную и автотранспортную нагрузки).
2. Оценка аккумуляционной способности пи-лезии многоцветковой по отношению к тяжелым металлам и радионуклидам в условиях урбанизированной экосистемы показала, что по величине коэффициента концентрирования (Кк) все изученные тяжелые металлы образуют ряд: Zn >РЬ> ¿г > Сг> V > №> Си> Со. Максимальное превышение фонового уровня регистрировано для Zn — 5,9 раз, РЬ — 3,1 раз, ¿г -2,7 раз. Максимальный суммарный коэффициент загрязнения наблюдался в промышленной зоне (районы ТЭЦ и ТЭЦ 2 и ОАО ГПЗ-10).
3. Содержание шCs, 22^а, 232ТЬ и 40К в пробах пилезии многоцветковой превышало фоновые значения. Колебания коэффициента концентрирования (Кк) для mCs фиксировали в пределах от 1,05 до 6,6; для 22^а - от 1,8 до 55; для 232ТЬ - от 1,06 до 25; для40К - от 1,2 до 7,8.
ЛИТЕРАТУРА
1. Багдасарян А.С. Биотестирование почв техногенных зон городских территорий с использованием растительных организмов : Дис. канд. биол. наук : 03.00.16 : Ставрополь, 2005 159 с. РГБ ОД, 61:05-3/1360
2. Вардуни Т.В. Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук Перестройки хромосом в клетках высших растений как показатель мониторинга мутагенов окружающей среды-1997.154с.
3. Вардуни Т. В., Шкурат Т. П., Милютина Н. П., Мирзоян А.
B. Свободно-радикальные процессы и уровень аберраций хромосом в листьях древесных растений как тест-система на генотоксичность городской среды.// Экология- 2000.- №4.-
C.270-275.
4. Буторина А. К., Калаев В. Н., Вострикова Т. В. Цитогене-тическая характеристика семенного потомства некоторых видов древесных растений в условиях антропогенного за-грязненичя г. Воронежа // Цитология. - 2000. - Т. 42. - № 2. -С. 196 - 201.
5. Серебрякова Н. Н. Эколого-биологические особенности ли-стостебельных мхов и использование их в экологическом мониторинге: на примере Пензенской области, 2009.- Саратов.
6. Кравец Е. А., Михеев А. Н., Овсянникова Л. Г., Забара Е. П., Гродзинский Д. М. Оценка критического уровня радиационного повреждения апикальной меристемы, совместимого с выживанием и восстановительными процессами у гороха, 2010.
7. Adamo P. Trace element accumulation by moss and lichen exposed in bags in the city of Naples (Italy) //Environmental Pollution. 2003. Vol. 122. P. 91-103.
8. Игнатов М.С., Игнатова Е.А. Флора мхов средней части европейской России. Т. 2: Fontinalaceae - Amblystegiaceae. М., 2006. С. 609-944.
9. Методика радиометрического определения активности естественных и искусственных радионуклидов в объектах экосферы, продуктах и отходах производства. Утверждена Директором НИИ Физики РГУ Сахненко В.П. Директором Центра РЭТ Давыдовым М.Г. 15.09.1993 г. Согласована НПО «ВНИИФТРИ» 20.09.93 г.).
