Накопление техногенных радионуклидов разными видами макромицетов в лабораторных условиях Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 539.16+57.044:582.284

НАКОПЛЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ РАЗНЫМИ ВИДАМИ МАКРОМИЦЕТОВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

© 2013 Д.В. Дементьев, Н.С. Мануковский, А.Я. Болсуновский, Ю.В. Александрова

Институт биофизики СО РАН, Красноярск

Поступила в редакцию 17.05.2013

В работе исследовали накопление техногенных радионуклидов, в том числе трансурановых, в мицелии и плодовых телах макромицетов в лабораторных условиях. Получена высокая степень аккумуляции 241 Ат из раствора мицелием грибов Pleurotus ostreatus и Neonothopanus nambi в лабораторных условиях. В биомассу мицелия данных видов переходило 85-97% 241 Ат от общего содержания в культивационной среде. В плодовых телах Pleurotus ostreatus, выращенных на субстрате из пойменных почв и донных отложений р. Енисей, загрязнённых техногенными радионук-

137 137

лидами, регистрировался только Cs. Коэффициент накопления (КН) Cs для плодовых тел грибов, выращенных на субстрате из донных отложений, на порядок выше КН 137Cs для плодовых тел, выращенных на почвенном субстрате, что может объясняться различной долей биодоступного цезия.

Ключевые слова: грибы, мицелий, радионуклиды, коэффициент накопления, почва, донные отложения

Наземные экосистемы планеты в результате интенсивного использования делящихся материалов загрязнены техногенными радионуклидами. В связи с этим радиоэкологические исследования территорий вокруг предприятий ЯТЦ и их ремедиация как никогда актуальны. В пойменных почвах р. Енисей, на правом берегу которого расположен Горно-химический комбинат (ГХК) Росатома, регистрируется широкий перечень техногенных радионуклидов, в том числе трансурановых, которые могут накапливаться живыми организмами. Макромицеты способны накапливать техногенные радионуклиды и тяжёлые металлы на порядки больше, чем растения и, следовательно, грибы можно использовать для биоремедиации загрязнённых территорий [5, 11].

Цель работы: исследование накопления техногенных радионуклидов, в том числе трансурановых, в мицелии и плодовых телах макро-мицетов в лабораторных условиях.

Дементьев Дмитрий Владимирович, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории радиоэкологии. E-mail: dementyev@gmail.com Мануковский Николай Cергеевич, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории управления биосинтезом фототрофов. E-mail:mana49@mail.ru

Болсуновский Александр Яковлевич, доктор биологических наук, заведующий лабораторией радиоэкологии. E-mail: radecol@ibp.ru

Александрова Юлияна Владимировна, ведущий инженер лаборатории радиоэкологии. E-mail: yuliyana_aleksandrova@mail. ru

Материалы и методы. Накопление техногенных радионуклидов макромицетами изучали в два этапа. На первом этапе объектами ис-

241 а

следования накопления Am мицелием, культивируемым на жидком субстрате, были взяты виды: шампиньон (Agaricus bisporus), вешенка (Pleurotus ostreatus) и гриб Neonothopanus nambi. Для каждого вида готовили жидкие среды объёмом по 100 мл с тремя вариантами активности 241Am (100, 200 и 40о Бк/л) и контрольный опыт без 241Am. В раствор инокулировали зерновой мицелий и инкубировали в термостате 14-30 дней при температуре 25°C. Содержание 241Am в приготовленных пробах определяли на сцинтил-ляционном у-счётчике Wallac Wizard 1480 (PerkinElmer, Финляндия). На втором этапе для оценки накопления техногенных радионуклидов из загрязнённых почв и донных отложений поймы р. Енисей в лабораторных условиях были проведены эксперименты по культивированию вида Pleurotus ostreatus. Работы проводились с двумя вариантами субстрата: 1) на основе пойменной почвы и целлюлозы и 2) донных отложений и целлюлозы в соотношении 1:1 по сухой массе. Удельная активность (на сухую массу) техногенных радионуклидов в подготовленных субстратах приведена в табл. 1.

Подготовленные почвоподобные субстраты (в трёх повторностях) укладывали в пластиковые банки и стерилизовали в термостате при 70°C в течение 5 ч. Затем в субстрат инокули-ровали зерновой мицелий и инкубировали в термостате 14 дней при температуре 27°C. После

разрастания мицелия в субстрате для стимуляции плодоношения банки помещали во влажную климатическую камеру с температурой 16-18°С и относительной влажностью 95-99%. Через 30 дней после инокулирования мицелия в субстрат были получены плодовые тела РЬыгМт о$1геа1т.

Таблица 1. Содержание радионуклидов в почвоподобном субстрате, Бк/кг

Co-60 Cs-137 Eu-152

Почва+целлюлоза 4,4 2900 27

Д/о+целлюлоза 45 170 260

Для определения содержания техногенных радионуклидов плодовые тела были высушены. Удельную активность у-излучающих радионуклидов в подготовленных навесках определяли на у-спектрометре Canberra (США) с полупроводниковым германиевым детектором. Для оценки накопления радионуклидов в макромицетах из субстрата рассчитывали коэффициент накопления (КН), который равен отношению удельной активности радионуклида в биомассе макроми-цета к удельной активности радионуклида в субстрате в конце эксперимента.

Накопление трансуранового радионуклида мицелием из жидкого субстрата. Проведенные лабораторные эксперименты по культивированию грибного мицелия на жидкой среде с

241 А

внесенным Am показали высокую степень накопления радионуклида. Для двух видов грибов

Pleurotus ostreatus и Neonothopanus nambi удель-

241

ная активность Am, накопленного в мицелии, линейно возрастала с увеличением его концентрации в среде (табл. 2). В ходе экспериментов в биомассу грибов переходило 85-97% 241Am от общего содержания в культивационном растворе. Мицелий Agaricus bisporus плохо развивался на жидкой среде, и для него были получены недостоверные данные по накоплению 2 1Am. Рассчитанные коэффициенты накопления 241 Am мицелием N. nambi из культивационного раствора в конце эксперимента (табл. 2) достигали 2000 л/г и были выше, чем для P. ostreatus.

В настоящее время в пойменных почвах и донных отложениях р. Енисей ниже по течению от ГХК, кроме активационных радионуклидов и продуктов деления, содержатся изотопы трансурановых элементов: 238Pu, 239'240Pu, 241 Am и 243'244Cm [4]. Для трансурановых радионуклидов, которые являются новыми для биосферы, отсутствуют стабильные изотопы. Вместе с тем, как видно из проведенных экспериментов, а также из работ других авторов [1, 2, 8] трансурановые элементы накапливаются в биомассе живых организмов. С учётом того, что поступление техногенных радионуклидов в экосистему р. Енисей происходит с жидкими сбросами, полученная высокая степень аккумуляции 241 Ат в лабораторных условиях позволяет использовать биомассу макромицетов для биоремедиации загрязнённых растворов. Ранее разными авторами была отмечена возможность использования грибов как биоиндикаторов загрязнения трансурановыми радионуклидами [2], так и с целью биореме-диации [5, 8, 9, 11].

Накопление техногенных радионуклидов макромицетами из почвоподобного субстрата. В лабораторных условиях на почвопо-добном субстрате, содержащем техногенные радионуклиды, были выращены плодовые тела Р1выго1ш оъШаШъ. В ходе эксперимента плодоношение Р. оъ1геа1т продолжалось 60 дней в несколько этапов (волн) с уменьшением урожайности в каждой волне по мере потребления питательных веществ из субстрата и старения мицелия (рис. 1). Полученная к концу эксперимента общая биомасса плодовых тел на субстрате из почвы и донных отложений практически не отличалась и составила 12,4 г и 11,2 г сухой массы, соответственно. По результатам у-спектрометрического анализа в плодовых телах Р. о$1геа1ш содержался 137Cs в обоих вариантах субстрата (рис. 2). Для почвы и донных отложений характерно увеличение удельной активности в плодовых телах грибов от первого к третьему урожаю, в то время как урожайность к третьей волне наоборот падала (рис. 1). Это может быть объяснено тем, что мицелий грибов в процессе питания выделяет экзоферменты для расщепления питательных веществ в субстрате [12] и, таким образом, доля биодоступного цезия со временем может возрастать. В донных отложениях содержание 152Еи было выше содержания (табл. 1), однако в грибах он не регистрировался. В плодовых телах, полученных на донных отложениях, был зарегистрирован 60Co на пределе обнаружения (10 Бк/кг).

Таблица 2. Удельная активность и КН 241Am в сырой биомассе мицелия

Вид Внесено, Бк/л Биомасса, Бк/г КН, л/г

Pleurotus ostreatus 100 1,2 67

200 2,6 120

400 3,9 63

Neonothopanus nambi 100 1,9 260

200 4,3 2000

400 14 230

Рис. 1. Урожайность плодовых тел Pleurotus ostreatus в эксперименте на субстратах из почвы и донных отложений

урожай 1 урожай 2 урожай 3 урожай 4

Рис. 2. Удельная активность в плодовых телах Pleurotus ostreatus на субстратах из почвы и донных отложений

Характер изменения рассчитанных коэффициентов накопления (КН) плодовыми телами P. ostreatus на разных субстратах частично повторяет изменения удельной активности Cs в грибах. Однако сами значения КН 137С8 для грибов, выращенных на разных субстратах, значительно отличаются (рис. 3). КН для грибов, выращенных на субстрате на основе донных отложений, возрастает от первого к третьему урожаю с 0,05 до 0,1. КН 137Cs для грибов, выращенных на субстрате на основе почвы, возрастает от 0,002 до 0,008, что на порядок ниже, чем для варианта с донными отложениями. Такое отличие значений КН для разных субстратов может быть вызвано различной биодоступностью в почве и донных отложениях. Для проверки данного предположения было проведено последовательное химическое фракционирование почвы и донных отложений по схеме, описанной в работе [3]. По содержанию 13^ в получившемся нерастворённом остатке после фракционирования можно оценить потенциальную биодоступность для живых организмов. Доля в нерастворённом остатке после фракционирования образцов пойменной почвы р. Енисей составила 94%, в донных отложениях - 82%, и, следовательно, потенциальная биодоступность в почве 6%, в донных отложениях 18%. Известно, что межвидовые вариации накопления радионуклидов в плодовых телах грибов могут достигать нескольких порядков [6, 7], также накопление радионуклидов может

значительно меняться для одного вида в зависимости от условий произрастания. В наших экспериментах с почвоподобными субстратами максимальный КН существенно меньше

единицы, то есть отсутствует аккумуляция радионуклида в плодовых телах грибов. В дальнейшем планируется расширить перечень видов грибов и оптимизировать условия их выращивания для получения более высоких значений КН техногенных радионуклидов. Так, в работах по биоремедиации территорий с помощью растений показано, что добавление в почву лимонной кислоты может увеличивать накопление урана в растениях на два порядка, а введение аммония увеличивает накопление цезия до двух раз [10].

урожай 1 урожай2 урожайЗ урожай4

Рис. 3. Коэффициент накопления в плодовых телах Pleurotus ostreatus на субстратах из почвы и донных отложений

Выводы: получена высокая степень аккумуляции 241 Ат из раствора мицелием грибов P. ostreatus и N. nambi в лабораторных условиях. В биомассу мицелия данных видов переходило 8597% 241 Ат от общего содержания в культивационной среде, коэффициент накопления (КН) 241 Ат достигал 2000 л/г, что позволяет использовать данные виды для биоремедиации загрязнённых радионуклидами растворов. В лабораторных экспериментах по выращиванию вида P. ostreatus на субстрате из пойменных почв и донных отложений р. Енисей, загрязнённых техногенными радионуклидами, в плодовых телах достоверно регистрировался только 13^. Коэффициент накопления для плодовых тел грибов, выращенных на субстрате из донных отложений (0,05-0,1) на порядок выше КН 137С8 для плодовых тел, выращенных на почвенном субстрате (0,002-0,008), что вызвано различной биодоступностью в почве и донных отложениях.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-04-00915.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Зотина, Т.А. Накопление 241Лш карасем серебряным из пищи и воды / ТА, Зотина, ЕА. Трофимова, Д.В. Дементьев, А.Я. Болсуновский // Доклады академии наук. 2011. Т. 439. № 5. С. 708-712.

2. Baeza, A. Soil-to-fungi transfer of 90Sr, 239+240Pu, and 241Am / A. Baeza, J. Guillen, J. W. Mietelski, P. Gaca // Radiochim. Acta. 2006. No. 94. P. 75-80.

3. Bolsunovsky, A. Actinides and other radionuclides in sediments and submerged plants of the Yenisei River / A. Bolsunovsky, L. Bondareva // J. Alloy. Compd. 2007. No. 444-445. P. 495-499.

4. Bolsunovsky, A. New data on transuranium elements in the ecosystem of the Yenisei River floodplain / A. Bolsunovsky, A. Ermakov, A. Sobolev // Radiochim. Acta. 2007. No. 95(9). P. 547-552.

5. Bystrzejewska-Piotrowska, G. Pilot Study of Bioaccumulation and Distribution of Cesium, Potassium, Sodium and Calcium in King Oyster Mushroom (Pleurotus Eryngii) Grown Under Controlled Conditions / G. Bystrzejewska-Piotrowska, D. Pianka, M.A. Bazata et al. // International Journal of Phytoremediation 2008. Vol. 10. P. 503-514.

6. Dementyev, D.V. Accumulation of artificial radionu-clides by edible wild mushrooms and berries in the forests of the central part of the Krasnoyarskii Krai / D.V.

Dementyev, A.Ya. Bolsunovsky // Radioprotection. 2009. Vol. 44, No. 5. P. 115-120.

7. Gillett, A.G. A review of 137Cs transfer to fungi and consequences for modelling environmental transfer / A.G. Gillett, N.M.J. Crout // J. Environ. Radioactivity. 2000. Vol. 48. P. 95-121.

8. Liu, N. Biosorption of 241Am by Rhizopus arrihizus: preliminary investigation and evaluation / N. Liu, Yu. Yang, Sh. Luo et al. // Appl. Radiat. Isotopes. 2002, No.

57. P. 139-143.

9. Liu, N. Biosorption of 241Am by Saccharomyces cerevisiae: Preliminary investigation on mechanism / N. Liu, J. Liao, Yu. Yang et al. // J. Radioanal. Nucl. Chem. 2008. Vol. 275, No. 1. P. 173-180.

10. Morel, J.-L. Phytoremediation of Metal-Contaminated Soils / J.-L. Morel et al. - Springer. 2006. 356 p.

11. Steiner, M. The role of fungi in the transfer and cycling of radionuclides in forest ecosystems / M. Steiner, I. Linkov, S. Yoshida // J. Environ. Radioact. 2002. Vol.

58. P. 217-241.

12. Gow, NA.R. The Growing Fungus / N.A.R. Gow, M. G. Gadd (eds.). - Chapman & Hall, 1995. 473 p.

ACCUMULATION OF TECHNOGENIC RADIONUCLIDES BY DIFFERENT TYPES OF MACROMYCETES IN VITRO

© 2013 D.V. Dementyev, N.S. Manukovskiy, A.Ya. Bolsunovskiy, Yu.V. Aleksandrova Institute of Biophysics SB RAS, Krasnoyarsk

In work investigated accumulation of technogenic radionuclides, including transuranium, in a mycelium and fruit bodies of macromycetes in vitro. High extent of accumulation 241Am from solution by a mycelium of Pleurotus ostreatus and Neonothopanus nambi fungus in vitro is received. To a biomass of mycelium of these types passed 85-97% 241Am from the general contents in cultivate medium. In fruit bodies of Pleurotus ostreatus which have been grown up on a substratum from inundated soils and ground deposits of Enisey River, polluted by technogenic radionuclides, was registered only 137Cs. The accumulation coefficient (AC) of 137Cs for fruit bodies of fungus, which have been grown up on a substratum from ground deposits, 10 times more, than AC of 137Cs for the fruit bodies, which have been grown up on a soil substratum, that can speak a various share of bioavailable Cs.

Key words: fungus, mycelium, radionuclides, accumulation coefficient, soil, ground deposits

Dmitriy Dementyev, Candidate of Biology, Research Fellow at the Radioecology Laboratory. E-mail: dementyev@gmail. com Nikolay Mabukovskiy, Candidate of Biology, Senior Research Fellow at the Laboratory of Controlled Biosynthesis of Phototrophs. E-mail: mana49@mail. ru

Alexander Bolsunovskiy, Doctor of Biology, Chief of the Radioecology Laboratory. E-mail: radecol@ibp.ru

Yuliana Alexandrova, Leading Rngineer at the Radioecology Laboratory. E-mail: yuliyana_aleksandrova@mail.ru