Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Использование Drosophilla melanogaster в качестве тест-объекта оперативной индикации мутагенного загрязнения атмосферы в промышленном городе

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Боднарук, Михаил Мирославович, Волгоград

Г }

/ ' и/

л

волгоградский государственный педагогическим

университет

На правах рукописи

БОДНАРУК МИХАИЛ МИРОСЛАВОВИЧ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШЮ80РШЬА MELANOGASTER В КАЧЕСТВЕ ТЕСТ-ОБЪЕКТА ОПЕРАТИВНОЙ ИНДИКАЦИИ МУТАГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ В ПРОМЫШЛЕННОМ ГОРОДЕ

03.00.16 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки РСФСР

Кубанцев Б.С. кандидат биологических наук,

доцент Подгорнова Г.П.

волгоград -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................,.....,................................................................................3

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ .......................................7

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ, МЕСТО ИССЛЕДОВАНИЯ....................25

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МУТАГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОЯОЗОРШЬА МЕЬАШОАБТЕИ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МЕСТА ИХ ОБИТАНИЯ...............................................................................................44

3.1 Динамика доминантных летальных мутаций у дрозофил..............................44

3.2 Динамика плодовитости дрозофил..................................................................66

3.3 Динамика жизнеспособности потомства дрозофил.......................................83

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МУТАГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БК080РН1ЬА МЕЬАМЮАЗТЕК ЛИНИИ Д-32 В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МЕСТА ИХ ЭКСПОНИРОВАНИЯ....................;.:...:........................•..:.................................................98

Глава 5. ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МУТАГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРИРОДНЫЕ ПОПУЛЯЦИИ БКОЗОРНПА МЕЬАШОАЗТЕЯ В КАЧЕСТВЕ ИНДИКАТОРОВ ПРИСУТСТВИЯ МУТАГЕНОВ В АТМОСФЕРЕ......................................................................................106

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................113

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................117

ВВЕДЕНИЕ

Среди проблем, от решения которых зависит будущее всего живого, проблема мутагенного загрязнения окружающей среды, несомненно, одна из наиболее острых. Мутагены, влияя, на наследственную информацию живых организмов и увеличивая генетический груз, изменяют направление и скорость эволюции. Несомненно, что с проблемой мутагенов живые организмы за всю историю своего существования уже сталкивались, и сумели выработать адаптивные механизмы, снижающие их вредные последствия. Но это касается только естественных мутагенов, которые являются природными факторами, играющими основную роль в изменчивости организмов в процессе эволюции. На современном этапе развития общества, в результате деятельности человека, в природе не только увеличивается концентрация естественных мутагенов, но и поступает огромное количество искусственных мутагенов, адаптация к которым требует длительного периода времени. Мутагены, как естественные, так и искусственные, по своей природе могут быть физическими, химическими и биологическими, и, действуя совместно, они усиливают свой мутагенный эффект. В литературе есть сведения, что в результате накопления высоких концентраций мутагенов в некоторых районах Земли наблюдалось катастрофическое снижение численности многих видов животных, а некоторые популяции даже совсем исчезли (Anderson et al., 1977), необратимо нарушился генетический баланс некоторых экосистем суши и воды (Засухина, 1976). Человечество в отношении количества мутагенных источников, и соответственно мутагенных факторов, находится в несоизмеримо худшем положении, чем все остальные живые организмы (Лекя-вичюс, 1983). В связи с этим проблема последствий мутагенного загрязнения из чисто биологической, превращается и в социально-этическую.

Из-за глобального распространения антропогенных мутагенов сейчас уже трудно говорить о естественном фоне мутагенного загрязнения (Порошенко,

Абилев, 1988; Шигаева и др., 1994). Особенную опасность вызывает локализация высокого уровня мутагенного загрязнения на урбанизированных территориях. В городах, с их своеобразными абиотическими условиями (меньше ветров, больше влажность и др.) и с большим количеством потенциальных источников загрязнения (промышленные предприятия, транспорт и др.) складывается совершенно особая среда обитания. И если видовой состав синантропных организмов и их реакция на техногенное загрязнение хоть как-то изучается (Жукова, Кубанцев, 1982; Захаров, Сергиевский, 1984; Клауснитцер, 1990; Колякин, 1994; Кубанцев, Жукова, 1994; Черноусова, 1996), то изменения состояния живых организмов в результате мутагенного загрязнения на урбанизированных территориях изучено пока слабо (Ревазова, 1994). Конечно, сейчас накоплено большое количество информации о мутагенности отдельных соединений (Лекявичюс, 1983; Wassom, Mailing, 1978) и, основываясь на данных по изучению дозовой зависимости выхода мутаций, можно с большой долей вероятности приблизиться к реальной оценке степени генетической опасности того или иного загрязнителя. Однако окончательный ответ можно получить лишь, исследуя конкретную популяцию, подверженную мутагенному загрязнению в естественных условиях (Гилева, Косарева, 1994).

Кроме того, необходимо отметить, что методами физико-химического анализа определить мутагенную загрязненность невозможно. Только с помощью биологических объектов возможно определение мутагенной активности того или иного соединения. При этом необходимо учитывать, что мутагены в природе действуют на фоне большого количества других факторов, пусть даже немутагенных. Одновременное действие нескольких факторов представляет большую опасность, так как даже слабые мутагенные природные соединения могут оказывать катализирующее действие на активность искусственных мутагенных факторов.

В связи с этим, основной целью нашего исследования была разработка метода оперативной биоиндикации мутагенного загрязнения среды на урбани-

зированных территориях. Главными критериями разрабатываемого метода должны быть: достоверность, оперативность и экономичность.

Для выполнения этой цели перед нами стояли следующие задачи:

1. Проанализировать распространение и сроки развития популяции БгоБорЫк melanogaster на территории г. Волгограда. Выбрать экспериментальные площадки, различающиеся по степени предполагаемого мутагенного загрязнения, и определить наиболее оптимальные сроки для сбора самок дрозофил в наших климатических условиях.

2. Определить процент доминантных летальных мутаций у дрозофил в разных районах г. Волгограда.

3. Определить уровень плодовитости дрозофил в разных районах г. Волгограда и установить возможность использования ее в качестве критерия мутагенного загрязнения атмосферы.

4. Выяснить, есть ли различия в жизнеспособности потомства у самок дрозофил, отловленных в разных по степени мутагенного загрязнения районах г. Волгограда, и возможно ли использовать изменения жизнеспособности потомства в. качестве критерия мутагенного загрязнения атмосферы.

5. Провести исследование по стандартной методике определения доминантных летальных мутаций и сравнить его результаты с результатами разрабатываемого метода.

6. На основании полученных данных дать рекомендации по определению мутагенного загрязнения атмосферы.

Мы глубоко признательны научным руководителям - заслуженному деятелю науки РФ, доктору биологических наук, профессору, зав. кафедрой зоологии ВГПУ Кубанцёву Б.С. и кандидату биологических наук, доценту Подгорновой Г.П. за руководство и помощь в написании диссертации.

Хотелось бы выразить глубокую благодарность профессору Асланяну М.М. (зав. кафедрой генетики и селекции МГУ им. М.В. Ломоносова) за внимание и ценные советы по методике проведения и анализу исследования.

Также мы очень признательны профессору Митрофанову В.Г. (зав. лабораторией Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН) за консультацию по систематике и биологии D. melanogaster.

Особая благодарность Попову A.B. инженеру телекоммуникационных систем ВГГГУ за помощь в определении растений и обеспечение оргтехникой.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Изменение биосферы (общее загрязнение, повышение радиационного фона, климатические изменения и др.), вызванное деятельностью человека, по силе и масштабности может быть сравнимо лишь с последствиями геологических процессов. Следы деятельности человека можно обнаружить во всех оболочках Земли. По мнению некоторых исследователей, антропогенное воздействие способно оказывать влияние на темп и направление эволюционных процессов (Шварц, 1976; Захаров, Сергиевский, 1984; Большаков, Кубанцев, 1991; Кубанцев, 1994; Кубанцев, Жукова, 1994; Кубанцев и др., 1997; Вершинин, 1997). В связи с этим проблема последствий антропогенных воздействий является одной из наиболее важных проблем, поиском решения которой заняты все биологические науки, и, прежде всего экология. Особый интерес для исследователей представляет изучение урбанизированных территорий, так как именно здесь антропогенное воздействие наиболее ощутимо, и все изменения биоты и абиоты, вызванные действием антропических факторов, проявляются наиболее наглядно: в городах, как правило, теплеё (среднегодовая температура воздуха на 1-2 °С), повышенная облачность (выше на 5-10 %), меньше солнечного света (на 15 - 20 %), больше мороси (на 5-10 %) и туманов (зимой на 100 %, летом на 30 %), чем в прилегающей местности (Руководство..., 1980; Одум, 1986; Урбоэколо-гия, 1990; Розенберг, 1993; Bornstein, 1968; Georgii, 1970; Landsberg, 1970; Conrads et al, 1971). Экосистемы урбанизированных территорий отличаются от естественных экосистем меньшей степенью замкнутости: число доминирующих видов в таких сообществах резко сокращается, стабильность поддерживается биологической пластичностью и популяционным полиморфизмом вида доминанта (Шварц, 1976; Вершинин, 1997). Один из наиболее важных аспектов антропогенного воздействия на среду - техногенное загрязнения - также в наибольшей мере связан с урбанизированными территориями. Установлено, что в атмосфере урбанизированных территорий содержание отдельных загрязнителей

во много раз превосходит естественные показатели: сернистый ангидрид в 20200 раз, окись углерода в 5-200 раз, углеводороды в 3-20 раз, пыль в 5-30 раз, при этом в антропогенной пыли обнаружено содержание тяжелых металлов (Руководство..., 1980; Израэль, 1984; Безуглая и др., 1991; Оеог^1, 1970; Мапеск!, Тагко\У81а, 1993).

И хотя промышленные города занимают всего 5 % суши, именно они являются основными источниками как локальных, так и глобальных загрязнений атмосферы, гидросферы и литосферы (Реймерс, 1990; Воробейчик, 1998). По мнению некоторых авторов, к 2070 году площадь урбанизированных территорий может возрасти до 12,8 % всей и более 20 % жизнепригодной территории суши (Одум, 1986; Реймерс, 1990). В связи с индустриализацией и локализацией производства современная фаза урбанизации характеризуется не просто ростом городов, а ростом больших и сверхбольших городов, за последние сто лет доля больших городов выросла с 1,7 до 20 % (Глазачев, 1980). В результате этих процессов проблема техногенного загрязнения в будущем не только не потеряет своего значения, но и приобретет еще более острый характер.

При этом необходимо учитывать, что среди техногенных загрязнителей есть вещества, обладающие токсическим, канцерогенным и мутагенным эффектом. До 10 % веществ, распространенных в среде обитания человека, обладают мутагенными свойствами (Журков, 1975, 1986, 1994), и если к присутствию естественных мутагенов организм человека в процессе эволюции сумел выработать адаптации, и соответственно снизить их мутагенный эффект, то к новым веществам, число которых в биосфере от 3,5 до 4,3 млн. ^зЫэет, 1978) таких адаптаций пока нет. Мутагены представляют собой наиболее опасную часть загрязнителей. Их эффект связан с поражением наследственной структуры клеток, что в свою очередь ведет к накоплению генетического груза в популяциях, который оказывает негативное влияние как на приспособленность популяции в целом, так и на состояние организмов, составляющих эту популяцию (Шалл, 1977; Дубинин, 1974, 1979). По отношению к человеку это влияние из чисто

биологического превращается в социально-нравственное. Число новорожденных с врожденными аномалиями увеличилось с 1956 по 1980 год более, чем в 2,5 раза (Sources..., 1980).

Однако, несмотря на очевидную актуальность проблемы, в настоящее время совершенно недостаточна степень изученности как экологии урбанизированных территорий в целом, так и особенно в связи с интенсивным техногенным загрязнением городской среды канцерогенами и мутагенами (Розенберг, 1993). В частности, мало обобщающих работ, посвященных антропогенному загрязнению такого действия, хотя опубликовано довольно много разрозненных материалов по разным аспектам данной проблемы. Поэтому представленное ниже краткое обобщение таких материалов может быть весьма полезным.

Рядом исследований было установлено, что в популяции человека суммарно за счет хромосомных, геномных и генных мутаций более 50 % спонтанных абортов обусловлено генетическими причинами (Бочков, Чеботарев, 1989; Бочков, 1981; Бочков и др., 1993). В наследственно обусловленных врожденных пороках развития и перинатальной смертности также не менее половины приходится на долю мутаций, вновь возникших в результате действия внешних факторов (Бочков, 1976; Дубинин, Алтухов, 1982; Бочков, Катосова, 1992).

Кроме того, мутагены способны вызывать и соматические мутации, т.е. проявлять свойства канцерогенов. Установлено, что около 90 % канцерогенов обладают мутагенными свойствами (Дубинин, 1983, 1989; Ames, 1973; McCarni et al, 1975; McCann, Ames, 1976; Holden, 1982; Wyrobek et al, 1983; Adler, et al, 1989). Но это не означает, что достаточно установить уровень лишь одного вида загрязнения, например канцерогенного, и на основании этого делать выводы и об уровне другого загрязнения (мутагенного) и наоборот (Гигиенические..., 1985), так как неизвестно, как могут измениться мутагенные свойства канцерогенов и канцерогенные свойства мутагенов в результате воздействия абиотических факторов среды.

При этом мутагены на урбанизированных территориях действуют на фоне огромного числа присутствующих в городской среде токсических веществ. Токсические вещества способны оказывать влияние на активность мутагена: ослабляя или усиливая ее. Поэтому проблема загрязнения окружающей среды токсическими соединениями тесно связана с мутагенами в окружающей среде (Дубинин, Пашин, 1977).

Особую опасность представляют так называемые супермутагены, которые обладают большой мутагенной активностью, и при этом не оказывают влияния на жизнеспособность клеток, что влечет за собой увеличение генетического груза в популяциях (Рапопорт, 1966; Ауэрбах, 1978).

В городах особенно важное значение имеет загрязнение атмосферы как основной части среды жизни человека. Попадая в атмосферу, газообразные отходы производств и выхлопные газы автомобилей смешиваются, и в результате физико-химических процессов могут образовываться вещества, обладающие более токсичными, более канцерогенными, а главное мутагенными свойствами, чем каждый компонент смеси в отдельности. Учитывая все это, а также объемы выбросов в атмосферу и концентрацию населения в городах, становится понятным актуальность проблемы мутагенного загрязнения атмосферы урбанизированных территорий (Саноцкий, Фоменко, 1979; Соколовский, Журков, 1982; Грушко, 1986).

Основными источниками техногенного и мутагенного загрязнения атмосферы, особенно в городах, являются транспорт (до 50 % всех загрязнений (Экология ..., 1997)), теплоцентрали, и большинство промышленных предприятий. Большую часть выхлопных газов автомобилей составляют окислы углерода, азота и активные углеводороды. Углеводороды и окислы азота могут иметь мутагенный эффект (Дубинин, Пашин, 1977, 1978). Кроме этого в выхлопных газах присутствует более 200 других токсичных соединений (Загрязнение..., 1971; Голубев, Новиков, 1985; Сытник и др., 1987; Сидоренко, 1991), в том числе неорганический свинец, мутагенность которого доказана на различных тест-

объектах (Ранчялис, 1978; Колупаева, Ярешенко, 1980; Реутова, Шевченко, 1991, 1992; Реутова, 1993; Teisinger et al, 1973; Deknudt et al, 1977; Gerber et al, 1980; Sigel, 1980; Sharma, Talukder, 1987; Herts, 1992; Graham et al, 1993).

Как уже отмечалось выше, отдельно взятые загрязнители менее опасны, чем их смеси. В этой связи загрязнение атмосферы окислами азота и углеводородами заслуживает особого внимания. В результате действия длинноволнового УФ-облучения окислы азота катализируют окислительный распад углеводородов и этим способствуют образованию высокотоксичных промежуточных продуктов, например, пероксиацетилнитрата и озона. Из углеводородов, обладающих токсичным и мутагенным эффектом, необходимо отметить формальдегид и акролеин (Дубинин, Пашин, 1977). Повышение ПДК по двуокиси азота и формальдегиду вызывает достоверное увеличение врожденных пороков развития у детей (Бочков и др., 1993, 1994).

В результате сжигания угля в различных энергетических установках в окружающую среду в мире поступает ртути в 8700 раз, мышьяка в 125, урана в 60, кадмия в 40, бериллия и циркония в 10 ра