CC BY
33
< ^г
из
>
Наука является основой всякого
прогресса, облегчающего
жизнь человечества...
Мария Склодовская-Кюри
Перспективы ЕЦ использования микробиологических препаратов для снижения радиационных рисков
I Резюме. Специфической проблемой для ядерных технологий является образование и накопление искусственных радионуклидов. Наиболее опасны изотопы цезия - ,34Сз и ,37Сз. В работе оценена возможность использования микробиологических добавок для коррекции скорости выведения этого элемента из организма. Белые лабораторные крысы получали корма, загрязненные ,37Сз, и микробиологические препараты. В условиях хронического перорального поступления ,37Сз эффективный период полувыведения радиоизотопа из организма 8-месячных животных составляет 352±69 часов. Введение в рацион препаратов ЕМ-1 и ЕМХ-СоН сокращает время полувыведения цезия на ,6-,9%, однако различия с контролем достоверны только на уровне значимости 0, ,5. Ключевые слова: цезий, период полувыведения, микробиологические пищевые добавки.
Техногенные изотопы цезия в окружающей среде. В числе наиболее опасных в экологическом аспекте радиоактивных загрязнителей - изотопы цезия: 134Сз и 137Сз [1]. Они относятся к «глобальным» радионуклидам, довольно быстро распространяющимся в биосфере. Многие исследования указывают на то, что способность аккумуляции цезия обнаруживается практически у всех живых организмов. В теле взрослого человека содержится около 1,5 мг стабильного цезия, а суточное его поступление оценивается в 10 мкг [2]. Всего известно 23 изотопа цезия. 22 из них радиоактивны, образуются при делении ядер тяжелых элементов - в ядерных реакторах и при ядерных взрывах. Можно также получать изотопы цезия из более легких элементов при их бомбардировке заряженными частицами в ускорителях.
Среди радиоактивных изотопов цезия наиболее значимы 137Сз и 134Сз. Первый является бета-излучателем (энергия ^-частиц - 170,8 кэВ) и имеет период полураспада 30,2 года. При его ядерном превращении образуется гамма-излучающий изотоп 137тВа (энергия у-квантов -661,6 кэВ) с периодом полураспада 2,55 минуты, который не накапливается в образцах в значимых количествах. Срок полураспада 134Сз - 2,062 года. При ядерных взрывах и авариях носителями радиоизотопов являются аэрозоли, образующиеся в результате конденсации радиоактивных и нерадиоактивных продуктов, выброшенных в воздушную среду. В острую фазу инцидента изотопы цезия поступают в организм человека преимущественно
Необходимость решения задачи обеспечения радиационной
и экологической безопасности человека и объектов биоты обусловливается развитием ядерных технологий, специфическим фактором для которых является образование и накопление искусственных радионуклидов, способных при определенных обстоятельствах поступать в окружающую среду. Основные источники радиоактивного загрязнения - глобальные выпадения радиоактивных веществ из атмосферы после испытаний ядерного оружия, выбросы радионуклидов вследствие деятельности объектов ядерно-энергетического комплекса, радиационные аварии.
с вдыхаемым воздухом. Сразу после выпадения Сз включается в процессы биологической миграции, и очень быстро основным путем его «поставки» становится продукция растениеводства и животноводства, произведенная в зоне загрязнения. В последующем биодоступность цезия постепенно падает вследствие практически необратимой сорбции на глинистых минералах. Следует отметить, что в торфяно-болотных почвах Белорусского и Украинского Полесья значительная часть радиоактивного цезия остается в физико-химических формах, доступных для корневого поглощения, что и обусловливает высокие коэффициенты перехода.
Биологическая опасность радиоактивных изотопов цезия. В организм человека цезий может попасть с растительной или животной пищей. Данный элемент хорошо усваивается в желудочно-кишечном тракте млекопитающих. Степень всасывания 137Сз в ЖКТ достигает 100%, так как он образует хорошо растворимые соединения. К тому же в молодом организме он усваивается лучше - по метаболическим причинам. Цезий активно выводится с молоком лактирующих животных. Поэтому молочные продукты подлежат особенно тщательному контролю в зонах загрязнения. Высокими коэффициентами накопления Сз отличаются многие виды рыб, в особенности хищные и придонные. Аномально высокие показатели аккумуляции данного радионуклида также характерны для плодовых тел большинства видов съедобных грибов.
Обмен цезия в организме имеет много общего с обменом калия. Около 80% радионуклида собирается в мышечной ткани, порядка 10% - в скелете и еще 10% распределяются в остальных органах и тканях. При прочих равных условиях у мужчин накапливается на 40-70% больше Сз, чем у женщин. Причем с возрастом эта разница увеличивается. Цезий способен в значительных количествах попадать в плод через плаценту, а также в грудное молоко. В случае хронического поступления радионуклидов в организм скорость их аккумуляции существенно меняется. Вначале накопление идет интенсивно, а затем, по мере насыщения тканей, постепенно замедляется, и наконец достигается равновесие между вновь поступающей активностью и экскретируемой. С этого момента дальнейшего увеличения содержания радионуклидов в организме практически не происходит. Время, в течение которого устанавливается равновесие, определяется природой радионуклида и напрямую связано с уровнем обмена веществ. Примерно 90% цезия выводится с мочой, остальное - через кишечник (причем в нижних отделах ЖКТ значительная часть Сз подвергается обратному всасыванию).
При более подробном рассмотрении закономерностей выделения цезия из организма вычленяют две компоненты - быструю, составляющую около 10% запаса радионуклида (период полувыведения - около суток),
и медленную (50-200 суток). Исследователи отмечают существенную вариабельность в скорости выведения: она зависит от физиологического состояния, возраста, режима питания и питья, обеспеченности калием. У новорожденных период полувыведения Сз - порядка 10 суток, у младенцев - 25, у детей 6-16 лет - 46-57. Международная комиссия по радиологической защите рекомендует считать биологический период полувыведения цезия из организма взрослого человека равным 70 суткам. Сходные возрастные закономерности установлены и у лабораторных животных. Период эффективного полувыведения быстрой компоненты у крысят - около 2 суток (58%), у взрослых особей - 8 (56%). Для медленной компоненты аналогичные показатели равны 36 (42%) и 37 (44%) суткам. Биологический период полувыведения накопленного 137Сз для собак принят за 40 суток, для крыс - 18, мышей - 3 суток [3].
Попадая внутрь организма, радиоактивный цезий становится источником хронического внутреннего облучения. При радиационных авариях и в зонах, подвергшихся радиоактивному загрязнению при испытаниях ядерного оружия, радиоизотопы Сз часто выступают основными дозообразователями. Относительно равномерное распределение цезия в организме и высокая проникающая способность гамма-квантов дочернего радионуклида 137тВа (около 12 см в биологических тканях) вызывают почти равномерное облучение органов и тканей.
В экспериментах на животных показано, что введение 137Сз в дозе 1,48 МБк/г порождает острую форму лучевой болезни. Уменьшение вводимой активности вдвое влечет сокращение продолжительности жизни, снижение количества лимфоцитов и нейтрофилов, развитие лейкопении и анемии. У людей острые биологические эффекты наблюдаются при попадании в организм порядка 1 ГБк 137Сз. Это сопоставимо с дозой внешнего облучения 4-6 Гр. При 0,4-4,0 МБк радиоцезия на килограмм веса развивается хроническая лучевая болезнь, со временем проявляются отдаленные последствия (бластомогенные эффекты, катаракты, раннее старение). Чем меньше возраст, в котором в организм попал радиоцезий, тем выше риск злокачественных новообразований. Максимальная доза, при которой еще не обнаруживается биологический эффект инкорпорации 137Сз, для человека ниже в 5 раз, чем для собаки, и в 35 - чем для крысы. При однократном поступлении 137Сз безопасной для людей считается доза 2,0 МБк на 1 кг массы тела [4].
К настоящему времени разработаны и нашли практическое применение сорбенты, предназначенные для ускорения выведения из организма цезия и других радионуклидов. Используются они в случае возникновения аварийной ситуации, когда изотоп проникает в ткани через органы дыхания или перорально. Применение подобных препаратов в условиях хронического облучения при
I
НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ
66
Рис. 1. Прижизненное измерение удельной активности 137С$ в теле лабораторной крысы
проживании на загрязненных территориях нецелесообразно по ряду причин. Поэтому наряду с разработкой системы мер по снижению поступления техногенных радионуклидов в организм человека с продуктами питания уместен поиск пищевых добавок, способствующих более быстрому их удалению.
Коррекция биокинетики цезия через кишечную микрофлору. Один из факторов, влияющих на показатели усвоения цезия и выведения его из организма,-микрофлора кишечника. Она оказывает существенное влияние на сорбцию минеральных элементов питания. Деятельность микроорганизмов и их биологически активные соединения могут изменять активность мембранных насосов или проницаемость клеточных мембран. Кроме того, бактерии снижают доступность отдельных химических элементов для всасывания, переводя их в слаборастворимые формы или сорбируя на собственной поверхности. Высокая поглотительная способность в отношении цезия обнаружена у водорослей [5, 6], грибов [8, 9], дрожжей [10] и цианобактерий [7, 11, 12]. Однако видовые особенности бактерий в плане накопления Сз
Рис. 2. Удельная активность 137С$ в организме крыс. Условные обозначения:
1 - контроль;
2 - ЕМ-1;
3 - ЕМХ-СоМ
После 60 сут. получения загрязненного корма
После 8 сут.
получения чистого корма
Рис. 3.
Оценка периода полувыведения 137С$ из организма животных. Условные обозначения:
1 - контроль;
2 - ЕМ-1;
3 - ЕМХ-СоМ
* - различия с контролем достоверны на уровне значимости 0,15
440 420 ? 400 I 380
| 360
си
й 340
Сй
^ 320 I 300
5 280
Щ 260
240 220
0 Меап
■ Меап ± 5Е
1 Меап ± 0,95 Соп£ !п!егуа!
* 4 *
■ Н
1
2
3
1
2
3
изучены недостаточно хорошо [13]. В основном исследования посвящены микроорганизмам рода В.койососсы$, которые могут эффективно его аккумулировать [14-16]. В работе [17] показано, что не все бактерии накапливают данный катион. Известно, что Сз+ не обладает какой-либо важной биологической функцией, однако с помощью транспортных систем одновалентных катионов - К+ [4], МЫ4+ [11, 12] - он может поступать внутрь клетки и замещать К+ при росте и активации ферментов [18, 19].
Использование микробиологических добавок для коррекции биокинетических параметров цезия в организме млекопитающих практически не исследовано. Поэтому представляет определенный интерес анализ воздействия препаратов, основанных на культурах живых микроорганизмов или культуральных средах. Соответствующий эксперимент был поставлен на белых лабораторных крысах, самцах стадного разведения, в условиях вивария. Животные получали корма, включающие 137Сз (с перерывами для оценки скорости выведения радиоизотопа) и микробиологические препараты. Содержание радиоцезия в рационе составляло 34,95±5,62 Бк/сут. Прижизненные измерения удельной активности 137Сз в организме подопытных проводились два раза - после двухмесячного приема загрязненного корма и спустя 8 суток усвоения условно чистого питания. Для этого животные помещались в специальный контейнер (рис. 1), геометрия которого учитывалась при расчете удельной активности радионуклида.
Для коррекции биокинетических параметров 137Сз в организме лабораторных крыс использовали микробиологические препараты ЕМ-1 и ЕМХ-ОоИ, предоставленные компанией-производителем ЕМБ.О (Япония). ЕМ-1 - симбиотический комплекс культивируемых непатогенных микроорганизмов, выделенных из природных объектов: молочнокислых и пурпурных фотосинтезиру-ющих бактерий, дрожжевых грибов. ЕМХ-ОоИ - биологически активная добавка на основе экстракта из ЕМ-1; представляет собой набор вторичных метаболитов, полученных из симбиотической культуры микроорганизмов. Среди метаболитов присутствуют вещества с выраженной противовоспалительной и антиоксидантной активностью. Аккумуляция радионуклидов в организме млекопитающих определяется такими факторами, как величина их поступления с кормом и водой, абсорбция в желудочно-кишечном тракте, перераспределение в органах и тканях, биологическое выведение с продуктами жизнедеятельности.
Удельную активность 137Сз в организме крыс оценили в каждой группе животных после 60 суток приема загрязненного корма, а затем - через 8 суток после нахождения на условно чистом рационе. В момент равновесия средняя активность радиоизотопа в их теле достигла 210-230 Бк/кг (рис. 2). В последующие 8 суток выведено 36-39% накопленного 137Сз. Анализ данных показал, что у животных,
Радиобиология
получавших в качестве добавки препарат ЕМХ-ОоИ, удельная активность 137Сз несколько ниже, однако это уменьшение статистически недостоверно. В этой же группе наблюдается тенденция к снижению данной величины относительно группы, принимавшей ЕМ-1 как добавку, и контроля после 8-суточной отмены «грязного» корма с заменой его на аналогичный условно чистый.
Повторное измерение активности 137Сз у животных через заданный промежуток времени после перевода на условно чистый рацион позволило рассчитать видимый эффективный период полувыведения радионуклида. У особей, получавших микробиологические препараты, такой временной отрезок оказался на 16-19% короче по сравнению с контролем (рис. 3). Наименьший период полувыведения - в группе 137Сз + ЕМХ-ОоИ: 282±59 часов. Однако биокинетика цезия даже для сравнительно однородной когорты животных имеет высокую степень вариабельности, из-за чего гипотеза о положительном влиянии препаратов ЕМ-1 и ЕМХ-ОоИ на ускорение выведения радионуклида подтверждена в данном эксперименте лишь на уровне значимости 0,15.
Результаты опытов показывают, что при двухмесячном приеме микробиологических препаратов ЕМХ-ОоИ и ЕМ-1 вместе с загрязненным кормом наблюдается тенденция к ускорению выведения радионуклида из организма. Это свидетельствует о перспективности дальнейших поисков в данном направлении. Среди возможных механизмов обнаруженного явления следует указать на сорбцию 137Сз клеточными стенками микроорганизмов, а также на изменение минерального обмена, вызванное воздействием накопленных в среде культивирования биохимических продуктов жизнедеятельности бактерий и грибов, входящих в состав препарата.
Таким образом, в условиях хронического перораль-ного поступления 137Сз эффективный период полувыведения радиоизотопа из организма 8-месячных самцов
крыс, содержащихся на стандартном рационе,- 352±69 часов. Введение в пищу животных на протяжении двух месяцев микробиологических препаратов ЕМ-1 и ЕМХ-ОоИ сокращает период полувыведения цезия на 16-19%, однако различия с контролем достоверны только на уровне значимости 0,15. ЕЗ
Статья поступила в редакцию 14.10.2016 г.
The possibility of using microbiological additives to correct the rate of cesium excretion from the body was assessed in the experiment. The experiment was performed on white laboratory rats. Animals received feed contaminated with 137Cs (with pauses to assess the rate of the radionuclide removal) and microbiological preparations EM-1 and EMX-Gold. In conditions of chronic oral intake of 137Cs, the effective half-life of the radioisotope in the body of the 8-month-old male rats contained in the standard diet is 352±69 hours. The introduction of microbiological preparations EM-1 and EMX-Gold into the diet for two months reduces the half-life of cesium by 16-19%. However, the differences between experimental animals and the control are reliable only at the significance level of 0.15 due to the high variability of the biokinetic parameters of this radionuclide in bodies of mammals.
rJJSE^ http://innosfera.by/2017/05/microbiological Игорь Чешик,
директор Института радиобиологии НАН Беларуси, кандидат медицинских наук, доцент
Александр Никитин,
завлабораторией радиоэкологии Института радиобиологии НАН Беларуси, кандидат сельскохозяйственных наук
Диана Сухарева,
научный сотрудник лаборатории радиоэкологии Института радиобиологии НАН Беларуси
Елена Медведева,
младший научный сотрудник лаборатории экспериментальных биологических моделей Института радиобиологии НАН Беларуси
Сергей Гапоненко,
младший научный сотрудник лаборатории моделирования и минимизации антропогенных рисков Института радиобиологии НАН Беларуси
ЛИТЕРАТУРА
Кузьменко М.И. Радиоэкология природных вод на стыке тысячелетий / М.И. Кузьменко, Г.Г. Поликарпов // Гидробиол. журн. 2000. Т. 36, № 2. С. 60-76.
2. Василенко И.Я., Василенко О.И. Радиоактивный цезий // Энергия: экономика, техника, экология. 2001, № 7. С. 16-22.
3. Радиобиология инкорпорированных радионуклидов / под общ. ред. В.С. Калистратовой.- М., 2012.
4. Булдаков Л.А. Радиоактивные вещества и человек.- М., 1990.
5. Avery S.V. Replacement of cellular potassium by caesium In Chlorella emersonii:differential sensitivity of photoautotrophlc and chemoheterotrophlc growth / S.V. Avery, G.A. Codd, G.M. Gadd // J. Gen. Microbiol. 1992. V. 138. P. 69-76.
6. Avery S.V. Transport kinetics, cation inhibition and intracellular location of accumulated caesium in the green microalga Chlorella salina / S.V. Avery, G.A. Codd, G.M. Gadd // J. Gen. Microbiol. 1993. V. 139. P. 827-834.
7. Avery S.V. Caesium accumulation and interactions with other monovalent cations in the cyanobacterium Synechosystis PCC6803 / S.V. Avery, G.A. Codd, G.M. Gadd // J. Gen. Microbiol. 1991. V. 137. P. 405-413.
8. Bakken L.R., Olsen R.A.Accumulation of radiocaesium in fulgi // Can. J. Microbiol. 1990. V. 36. P. 704-710.
9. Vinichuk M.M. Role of the fungal mycelium in the retention of radiocaesium in forest soils / M.M. Vinichuk, K.J. Johanson, K. Rosen, I. Nilsson // J. Environ. Radioactiv. 2004. V. 78, N1. P. 77-92.
10. Perkins J., Gadd G.M. Caesium toxicity, accumulation and intracellular localization in yeast // Mycol. Res. 1993. V. 97, N6. P. 717-724.
11. Avery S.V. Caesium transport in the cyanobacterium Anabaena variabilis: kinetics and evidence for uptake via ammonium transport system(s) / S.V. Avery, G.A. Codd, G.M. Gadd // FEMS Microbiol. Lett. 1992. V. 95. P. 253-258.
12. Singh S., Negi S., Bharati N., Singh H.N. Common nitrogen control of caesium uptake, caesium toxicity and ammonium (methylammonium) uptake in the cyanobacterium Nostoc muscorum // FEMS Microbiol. Lett. 1994. V. 117, N3. P. 243-248.
13. Perkins J., Gadd G.M. The influence of pH and external K+ concentration on caesium toxicity and accumulation in Escherichia coli and Bacillus subtilis // J. Ind. Microbiol. 1995. V. 14, N34. P. 218-225.
14. Tomioka N., Uchiyama H., Yagi 0. Isolation and Characterization of Cesium Accumulating Bacteria // AEM. 1992. V. 58, N3. P. 1019-1023.
15. Tomioka N., Uchiyama H., Yagi 0. Cesium Accumulation and Growth Characteristics of Rhodococcus erythropolis CS98 and Rhodococcus sp. Strain CS402 // AEM. 1994. V. 60, N7. P. 2227-2231.
16. Ившина И.Б. Эффективное извлечение цезия клетками бактерий рода Rhodococcus / И.Б. Ившина, Т.А. Пешкур, В.П. Коробов // Микробиология. 2002. Т. 71, № 3. С. 418-423.
17. Johnson E.E., 0'Donnell A.G., Ineson P. An autoradiographic technique for selecting Cs-137-sorbing microorganisms from soil // J. Microbiol. Meth. 1991. V. 13. P. 293-298.
18. Andersson C.E., Mowbray S.L. Activation of ribokinase by monovalent cations // J. Mol. Biol. 2002. V. 315, N3. P. 409-419.
19. Jasper P. Potassium transport system of Rhodopseudomonas capsulata // J. Bacteriol. 1978. V. 133, N3. P. 1314
