Использование тополя дельтовидного и пилезии многоцветковой в биомониторинге урбосистем

Омельченко, Галина Валентиновна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Использование тополя дельтовидного и пилезии многоцветковой в биомониторинге урбосистем
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Использование тополя дельтовидного и пилезии многоцветковой в биомониторинге урбосистем"

На правах рукописи

Омельченко Галина Валентиновна

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОПОЛЯ ДЕЛЬТОВИДНОГО И ПИЛЕЗИИ МНОГОЦВЕТКОВОЙ В БИОМОНИТОРИНГЕ УРБОСИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ Г. РОСТОВА-НА-ДОНУ)

03.02.08 — экология (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г 8 НОЯ 2013

Ростов - на - Дону - 2013

005539978

Работа выполнена на кафедре генетики и в НИИ биологии ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет»

Научный руководитель: доктор педагогических наук, кандидат

биологических наук, профессор Вардуни Татьяна Викторовна

Официальные оппоненты: Приваленко Валерий Владимирович,

доктор биологических наук, генеральный директор ООО НПП «Экологическая лаборатория»

Пелипенко Ольга Федоровна,

кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новочеркасская

государственная мелиоративная академия» (НГМА), г. Новочеркасск

Защита диссертации состоится 19 декабря 2013 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 212.208.32 по биологическим наукам, созданного на базе Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б.Садовая, 105, ЮФУ, ауд. 304, e-mail: denisova777@inbox.ru, факс: (863)263-87-23).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148).

Автореферат разослан « » ноября 2013 г. и размещен в сети Интернет на сайте ЮФУ www.sfedu.ru и на сайте Минобрнауки России www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Денисова Т.В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Урбосистемы испытывают на себе негативные последствия антропогенной активности, включающие загрязнение окружающей среды токсическими веществами. Проблема биомониторинга урбосистем становится все более актуальной, так как постоянное возрастание техногенной нагрузки требует объективной оценки любых изменений в биоте. Эффективность биомониторинга определяется возможностью прогнозирования и моделирования экологической опасности по данным биоиндикации и биотестирования, информативностью используемых показателей.

Мониторинг мутагенов окружающей среды с использованием растительных тест-объектов получил широкое распространение (Гуськов, Шкурат, 1993, 2000; Буторина, Калаев, 2000; Капаев, 2009; Майнулов, Багдасарян, 2004; Неверова, Николаевский, 2002; Неверова, Колмогорова, 2002; Королева, 2006; Белоусов, 2011; Рогова, Рыжакова и др., 2009; Шматова, 2012). Существующие технологии биомониторинга, как правило, основаны на оценке узкого спектра показателей одного растительного тест-объекта. Системный подход к разработке технологий биомониторинга предполагает использование растительных организмов, характеризующихся различной чувствительностью к генотоксикантам и аккумулятивной способностью, и являющихся элементами одного растительного сообщества. В связи с вышесказанным, был осуществлен биомониторинг, основанный на оценке цитогенетических и биохимических показателей растений, связанных консортивными взаимодействиями. В ходе исследования была проведена серия экспериментов по созданию новой комплексной системы биомониторинга с использованием эпифитного мха пилезии многоцветковой (Pylaisiapolyantha) (Hedw.)B.S.G, связанного консортивными взаимодействиями с тополем дельтовидным (Populus deltoides Marsh), являющимся видом-консортообразователем.

Цель исследования. Провести биомониторинг урбосистемы (на примере г.Ростова-на-Дону) с использованием тополя дельтовидного (Populus deltoides Marsh) и пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) (Hedw.) B.S.G, находящихся в консортивных взаимодействиях.

Задачи исследования:

1. Определить зоны максимальной мутагенной активности г. Ростова-на-Дону в многолетнем биомониторинге с использованием тополя дельтовидного (Populus deltoides Marsh) и пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) (Hedw.) B.S.G.

2. Оценить мутагенную активность недифференцированных факторов окружающей среды урбосистемы г. Ростова-на-Дону с помощью цитогенетических показателей зачаточной меристемы тополя дельтовидного.

3. Оценить чувствительность пилезии многоцветковой к стандартному мутагену диметилсульфату (ДМС) в условиях модельного эксперимента, а таккже ее аккумулятивные способности по отношению к тяжелым металлам и радионуклидам в условиях урбосистемы.

4. Оценить мутагенную активность атмосферного воздуха г. Ростова-на-Дону с использованием пилезии многоцветковой.

5. Проанализировать преимущества использования системы биомониторинга урбосистем с применением пилезии многоцветковой и тополя дельтовидного, находящихся в консортивных взаимодействиях.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Биомониторинг урбосистемы (г. Ростова-на-Дону) с использованием тополя дельтовидного и пилезии многоцветковой, связанных консортивными взаимодействиями, позволяет эффективно определять зоны максимальной мутагенной нагрузки.

2. Пилезия многоцветковая является тест-объектом, чувствительным к воздействию мутагенов, обладает высокой аккумулятивной способностью к тяжелым металлам и радионуклидам и может использоваться для биомониторинга урбосистем.

3. Хемилюминесцентный анализ интенсивности свободнорадикальных процессов в клетках пилезии многоцветковой, а также оценка гено - и цитотоксичности водного экстракта пилезии многоцветковой позволяют корректно оценить содержание мутагенных веществ в атмосферном воздухе мониторируемых территорий.

Научная новизна работы. Впервые осуществлен биомониторинг г. Ростова-на-Дону с использованием растений (тополь дельтовидный и пилезия многоцветковая), связанных консортивными взаимодействиями. Выделены зоны максимальной мутагенной опасности недифференцированных факторов среды и атмосферного воздуха. Впервые оценена чувствительность пилезии многоцветковой к воздействию стандартного мутагена диметилсульфата (ДМС) в модельном эксперименте. Впервые осуществлена одновременная оценка аккумулятивной способности пилезии многоцветковой по отношению к тяжелым металлам и радионуклидам в условиях урбосистемы (г. Ростов-на-Дону) и показателей, характеризующих интенсивность мутационного процесса в клетках пилезии многоцветковой.

Теоретическая значимость. Проведенные исследования позволили разработать комплексную систему биомониторинга урбосистем, основанную на ипользовании растений, находящихся в консортивных взаимодействиях. Отдельные компоненты предложенной системы биомониторинга могут быть использованы самостоятельно, при совместном использовании информативность

системы биомониторинга существенно возрастает. Предлагаемая система биомониторинга позволяет прогнозировать мутагенную опасность в урбосистемах со сходным уровнем техногенной нагрузки.

Практическая значимость. Результаты биомониторинга могут служить основанием для разработки программ по улучшению качества городской среды г. Ростова-на-Дону, использоваться при оценке эколого-генетического состояния среды обитания человека. Полученные результаты используются в учебном процессе при чтении общих курсов («Генетика», «Экология», «Биология клетки»), специальных курсов («Мутагены окружающей среды», «Экологическая генетика» и др.) и элективного курса «Антропогенетика» в Южном федеральном университете.

Апробация работы. Результаты диссертации представлены на международных научно-практических конференциях: «Проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды. Экологические и правовые аспекты» (Махачкала, 2010); «Basic science and practice» (Томск, 2010); «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности (Санкт-Петербург, 2010); «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов-на-Дону, 2011); «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011); «Экологические проблемы природных и антропогенных территорий» (Чебоксары, 2011); «Генетика и биотехнология XXI века: Проблемы, достижения, перспективы» (Минск, 2012) и Ученых Советах НИИ биологии ЮФУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, из которых - 7 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 151 страницах машинописного текста, иллюстрирована 19 таблицами, 25 рисунками. Работа состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, результатов исследования, обсуждения результатов, выводов, списка использованной литературы, включающего 233 отечественных и 58 зарубежных авторов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке ФЦП Министерства и науки РФ (госконтракт № 16.740.11.0485).

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.п.н., профессору Т.В. Вардуни за помощь на всех этапах выполняемой работы. Автор благодарит к.б.н. В.А. Середу за помощь, оказанную при идентификации мхов, произрастающих на тест-растениях тополя дельтовидного в г. Ростова-на-Дону.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Проанализирована и дана характеристика экологической обстановки в городе Ростове-на-Дону. Проведен анализ литературы, раскрывающий сущность понятий биотестирование, биоиндикация и биомониторинг, осуществлен обзор тест-систем с использованием растений и современных методов биомониторинга.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Биомониторинг проводился в 2010-2012 гг. в различных функциональных зонах г. Ростова-на-Дону: промышленных, автотранспортных, парковых зонах, а также зонах, сочетающих промышленную и автотранспортную нагрузки. Расположение площадок биомониториига в различных зонах г. Ростова-на-Дону представлено на карто-схеме (рис.1).

Рис. 1. Карто-схема расположения площадок биомониторинга. 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 н 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 условный контроль - Ботанический сад)

Автотранспортная зона (3 площадки, 30 точек) - охватывает территории с автомобильным движением высокой интенсивности, транспортными развязками;

Промышленная зона (2 площадки, 20 точек) - территории ТЭЦ, ТЭЦ-2, заводов рыбных гранулированных кормов, «Мясомолмаш», ОАО ГПЗ-10;

Зоны, сочетающие промышленную и автотранспортную нагрузки (4 площадки, 40 точек) - территории, характеризующиеся наличием промышленных предприятий (Электровозоремонтный завод, ОАО «Моряк», «Донская кожа» и др.) и автомагистралей с интенсивным потоком автотранспорта;

Парковая зона (точка условного контроля) (1 площадка, 10 точек) -территория Ботанического сада ЮФУ, характеризующаяся отсутствием промышленных предприятий и интенсивного движения автотранспорта.

Фоновая зона (1 площадка, 10 точек - Каменский район Ростовской

области), удаленная более чем на 100 км от урбанизированной экосистемы (г. Ростова-на-Дону), со сходными природно-климатическими условиями.

Для разработки системы биомониторинга были использованы следующие виды растений: Тополь дельтовидный (Populus deltoides March); пилезия многоцветковая (Pylaisia polyantha) (Hedw.) B.S.G. Тополь дельтовидный использовался ранее в многолетнем мониторинге г. Ростова-на-Дону (Гуськов, 1993, 2000, 2009 гг.) и зарекомендовал себя как тест-объект, объективно отражающий степень мутагенной активности недифференцированных факторов среды. Однако, использование данного тест-объекта имеет сезонные ограничения и не позволяет выделить и оценить в суммарной мутагенной активности недифференцированных факторов среды мутагенную активность атмосферного воздуха. Поэтому в предлагаемой тест-системе одновременно с тополем дельтовидным использовали эпифитный мох (Pylaisia polyantha), находящийся в консортивных взаимодействиях с тест - растениями тополя. Для оценки гено- и цитотоксичности экстракта пилезии многоцветковой использовали корневую меристему гороха посевного (Pisum sativum L).

Всего было проанализировано 30 000 анафаз меристемы почек тополя дельтовидного (Populus deltoides), 150 проб пилезии многоцветковой для хемолюминесцентного анализа, 350 проб пилезии многоцветковой для радионуклидного анализа, 550 проб пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) для химико-аналитических исследований, 33000 анафаз корневой меристемы гороха посевного (Pisum sativum).

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Цитогенетический анализ меристемы почек тополя и корневой меристемы гороха посевного осуществляли по стандартной методике (Гостимский, 1974) с некоторыми модификациями (Вардуни, 2000). Структурные изменения хромосом учитывали анафазным методом.

Цитотоксичность экстракта пилезии многоцветковой оценивали по изменению митотического индекса в корневой меристеме гороха посевного (Алов, 1965).

Интенсивность свободнорадикальных процессов в клетках пилезии многоцветковой в модельных условиях и при биомониторинге оценивали методом ХЛ в системе ЬЬОз-люминол на приборе AutoLumat Plus LB 953 фирмы Berhold Technologies (Германия). В модельном эксперименте пробы пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha ) обрабатывали водным раствором ДМС в концентрациях 0,1%, 0,5% и 1% в течение 1,2,4,6,12 и 24 часов (оптимальное время обработки и концентрацию мутагена подбирали экспериментально).

Определение валового содержания тяжелых металлов в пробах пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) проводили по «Методике выполнения измерения массовой доли металлов в порошкообразных пробах с помощью рентгеновского аппарата для спектрального анализа «Спектроскан MAKC-GV».

Рассчет коэффициента концентрирования (Кк) для ряда элементов тяжелых металлов проводили как: Кк= Кэ/Кф, где Кэ- содержание элемента тяжелого металла в пробе; Кф - содержание элемента в фоновых пробах. Суммарный показатель загрязнения (Zc) мониторинговых площадок г. Ростова-на-Дону рассчитывали как: Zc=£KK-(n-l), где Кк- коэффициент концентрирования ряда элементов тяжелых металлов, для которых этот коэффициент >1, п- число учитываемых элементов тяжелых металлов, для которых Кк >1.

Определение радионуклидного состава проб пилезии многоцветковой (Pylaisia polyanthá) осуществляли инструментальным гамма-спектрометрическим методом радионуклидного анализа с использованием низкофоновой специализированной установки РЭУС-П-15 и применением стандартных методик анализа (Давыдов, 1993). Коэффициент концентрирования (Кк) радионуклидов рассчитывали как: Кк=Кэ/Кф, где Кэ- удельная активность радионуклидов в пробе; Кф- удельная активность радионуклидов в фоновых пробах. Рассчитывали коэффициенты накопления радионуклидов по отношению к атмосферному воздуху (Кнв) и почве (Кнп).

Статистическую обработку данных проводили по стандартным биометрическим формулам (Владимирский, 1983; Лакин, 1990). Все расчеты производили с использованием программы Excel.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 4.1. Биомониторинг урбанизированной экосистемы (г.Ростова-на-Дону) с использованием тополя дельтовидного (Populus deltoides) и пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha), связанных консортивными взаимодействиями. Для многолетнего биомониторинга было использовано 100 деревьев тополя дельтовидного, являющихся маркерными на протяжении длительного периода (Вардуни 1997, Мирзоян 2001). Определяли уровень и спектр аберраций хромосом в зачаточной меристеме почек тополя для характеристики мутагенной активности недифференцированных факторов окружающей среды. Мутагенную активность атмосферного воздуха оценивали с помощью пилезии многоцветковой, произрастающей на тест-растениях тополя дельтовидного. Пилезия многоцветковая была выбрана в качестве тест-объекта для оценки мутагенной активности атмосферного воздуха по ряду показателей (стабильная встречаемость на коре тестируемых растений тополя, адаптированность к урбанизированной среде, высокая аккумулятивная способность). 4.1.1.0ценка мутагенной активности недифференцированных факторов окружающей среды урбанизированной экосистемы г.Ростова-на-Дону с помощью цитогенетических показателей зачаточной меристемы тополя дельтовидного. Как видно из результатов, представленных на рисунке 2, на всех исследуемых площадках г.Ростова-на-Дону на протяжении трех лет (2010-2012 гг.) зафиксировано статистически значимое превышение уровня аберраций

хромосом (Ахр) по сравнению с условным контролем. Наибольший процент Ахр зафиксировался в Октябрьском (4,9% ±0,68), Ленинском (3,8% ±0,61), Первомайском (3,0 ±0,54) районах города. Превышение фоновых значений Ахр составило в Октябрьском районе 7 раз, в Ленинском и Первомайском районах - 5 и 4 раза соответственно, б

1' L w i1111 f I i I к-1

фоновом 1 УК 23*356789 10

я Частота аберрантных апафаз(%] 2010| я Частота аберрантных апафаз(%> 2011I Частота аберрантных анафаз(%) 2012г

Рис.2. Динамика изменения уровня аберраций хромосом в зачаточной меристеме почек тополя

(Populus deltoides) на исследуемых площадках г. Ростова-на-Дону за три года (2010-2012гг.) 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 условный контроль - Ботанический сад)

По спектру распределения аберраций хромосом к наиболее стабильно встречающимся можно отнести отставания и одиночные фрагменты. Реже наблюдали множественные фрагменты и в единичных случаях - мосты. 4.1.2. Оценка мутагенной активности атмосферного воздуха г. Ростова-на-Дону с помощью пилезии многоцветковой.

Анализ интенсивности свободнорадикальных процессов в клетках пилезии многоцветковой, произрастающей на тест-растениях тополя методом индуцированной хемилюминесценции. В настоящее время показано, что у большинства растений под действием любых экологических и антропогенных факторов развиваются неспецифические адаптационные реакции, совокупность которых получила название фитостресса. В работах многих авторов показана связь между активизацией процесса перекисного окисления липидов (ПОЛ) и воздействием экстремальных условий внешней среды (Grundwald, 1984; Барабой и др., 1992; Brar et al., 1999; Dat et al., 2000; Тарчевский, 2002; Гуськов, 2009). Выявлена корреляционная взаимосвязь между уровнем содержания пероксидных группировок, способностью к образованию свободных радикалов и интенсивностью мутационного процесса у некоторых исследованных видов растений (Мерзляк, 1989; Asada, 1997; Inzu, 1995; Van Doorslaer et al., 1999; Мерзляк, 1999; Bolwell, 1997, 1999; Мирзоян, 2000; Виноградова, Коршиков, 2005; Половникова, 2010).

В данном исследовании анализировали уровень свободнорадикальных процессов к клетках пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha), находящейся в консортивных взаимосвязях с маркерными деревьями тополя дельтовидного (.Populus deltoides), используя метод хемилюминесценции (XJI) в системе Н202-люминол. Применение метода хемилюминесценции позволило получить информацию как об интенсивности деструктивных окислительных процессов в клетках, так и о работе защитной антиоксидантной системы, резистентности тканей к перекисному окислению. Результаты исследования интенсивности люминол-зависимой хемилюминес-ценции клеток пилезии многоцветковой на исследуемых площадках г. Ростова-на-Дону в 2012г представлены на рисунке 3.

25 3 2 О

I 15 i 10 5 О

Рис.3. Показатели светосуммы и высоты быстрой вспышки Н202- индуцированной хемилюминесценции клеток пилезии многоцветковой на исследуемых площадках г. Ростова-

на-Дону.

Автотранспортная зона: (пл. 9 - Змиевский проезд, пл. 10 - пр. Шолохова); Промышленная зона: (пл. 2-ТЭЦ; пл. 3 - ТЭЦ 2, ОАО ГГ13 - 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 условный контроль - Ботанический сад)

Показатели величины ХЛ-ответа у растений с площадки условного контроля достоверно ниже показателей растений из других исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону. Максимальные значения светосуммы наблюдались в Первомайском районе города (район аэропорта), где контрольные значения были превышены в 4,3 раза (превышение фоновых значений составило 7 раз), Ленинском (ул. Сиверса) и Октябрьском (ул. Таганрогское шоссе) районах -превышение контрольных показателей в 4 раза (превышение фоновых значений -6 раз). Сходная динамика наблюдалась по показателям высоты быстрой вспышки. На основе хемилюминесцентного анализа пилезии многоцветковой к числу зон с максимальной мутагенной активностью атмосферного воздуха были отнесены автотранспортная зона (Первомайский район), зона, сочетающая промышленную и автотранспортную нагрузки (Ленинский ул. Сиверса) и (Октябрьский (ул. Таганрогское шоссе) районы.

Оценка гено- и цитотоксичности экстракта пилезии многоцветковой, отобранной на тестируемых растениях тополя дельтовидного. В

фон X У.К 23456789 ХО

ш Высота быстрой вспышки ■ Соеюсуллгиа

многолетнем мониторинге была оценена способность экстракта пилезии многоцветковой, произрастающей на тестерных растениях тополя исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону, индуцировать аберрации хромосом в корневой меристеме гороха посевного (Pisum sativum), используемого в качестве модельного объекта. Пробы экстракта пилезии многоцветковой из различных районов г.Ростова-на-Дону индуцировали уровень аберраций хромосом, достоверно превышающий контрольные значения (Рис. 4). Наибольший процент аберраций хромосом на протяжении трех лет исследования индуцировал экстракт пилезии многоцветковой из Ленинского, Железнодорожного, Октябрьского районов. Минимальное превышение уровня аберраций хромосом по сравнению с условным контролем достигало 1,5 раз, максимальное - 3 раза. Превышение фоновых значений составило от 2,1 до 7 раз. Показатели уровня аберраций хромосом исследуемых площадках на протяжении 3-х лет оставались стабильными. При анализе спектра аберраций хромосом в корневой меристеме гороха посевного особое внимание было уделено районам г. Ростова-на-Дону, где пробы пилезии многоцветковой показали наибольшую степень генотоксичности. Так, в Ленинском районе в 2010-2011 гг. стабильно встречались множественные и одиночные фрагменты, а также отставания. В 2012 г. к этому списку добавились хроматидные и хромосомные мосты, количество которых достоверно превышало количество всех других типов аберраций хромосом. В Железнодорожном районе в 2010-2011 гг. наибольший процент аберраций хромосом приходился на одиночные и множественные фрагменты, а в 2012 г. увеличилось количество мостов. В Октябрьском районе на протяжении 3-х лет стабильно встречались множественные и одиночные фрагменты, отставания и мосты. В 2012 г. увеличилось количество одиночных фрагментов.

Частота аберрантных анафаз за 3 года

III..*v 111" Г' i МI

фон 1 УК. 2345G7SD

■ частота (*£.) аОсрранtuoix анафаэ 2010т m Частота (%) аберрантных анафаз 2011т в» Частота (%} аберрантных анафаз 2012т

Рис.4. Уровень аберраций хромосом в корневой меристеме гороха посевного, пророщенного на

экстракте пилезии многоцветковой затри 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 условный контроль - Ботанический сад)

Снижение показателей митотического индекса в корневой меристеме гороха в опыте по сравнению с контролем говорит о наличие цитотоксического эффекта

хо

экстракта пилезии многоцветковой. Наибольшее угнетение митоза индуцировали пробы из Ленинского, Железнодорожного и Первомайского районов.

Показатели гено- и цитотоксического эффекта экстракта пилезии многоцветковой являются объективным показателем отражающим гено-токсическую опасность в анализируемых точках. Использование данного показателя при многолетнем биомониторинге позволяет получить важную информацию о мутагенной опасности атмосферного воздуха районов исследований и осуществлять биомониторинг с достаточно высокой эффективностью.

Таким образом, многолетний мониторинг (2010-2012 гг.) с использованием пилезии многоцветковой и тополя дельтовидного позволил охарактеризовать уровень генотоксичности окружающей среды г. Ростова-на-Дону. Цитогенетический анализ зачаточной меристемы почек тополя позволил оценить мутагенность недифференцированных факторов окружающей среды. За трехлетний период максимальная активность недифференцированных мутагенов окружающей среды наблюдалась в зонах, сочетающих промышленную и автотранспортную нагрузки (Октябрьский, Ленинский районы) и автотранспортной зоне (Первомайский район). Обнаружена высокая положительная корреляция (г=0,9) между показателями уровня аберраций хромосом тополя дельтовидного на исследуемых площадках в 2010-2012 гг. Оценка мутагенной активности атмосферного воздуха исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону с помощью пилезии многоцветковой (хемолюминесцентный анализ пилезии многоцветковой и оценка гено - и цитотоксичности экстракта пилезии многоцветковой) позволила выявить площадки максимальной мутагенной опасности. По результатам хемолюминесцентного анализа это Первомайский район (площадка расположена в автотранспортной зоне), Ленинский и Октябрьский районы (площадка расположена в зоне, сочетающей промышленную и автотранспортную нагрузки). По результатам оценки гено- и цитотоксичности экстракта пилезии многоцветковой это Октябрьский, Ленинский и Железнодорожный районы (площадки расположены в зоне, сочетающей промышленную и автотранспортную нагрузки). Коэффициент ранговой корреляции Спирмена (г) между уровнями аберраций хромосом (Ахр) за 2010-2012 гг. составил 0,8. Преимуществами предложенной схемы биомониторинга, включающей анализ цитогенетических и биохимических показателей растений, находящихся в консортивных взаимодействиях, являются возможность охарактеризовать суммарную мутагенную нагрузку недифференцированных факторов среды за длительный промежуток времени и одновременно оценить мутагенную активность атмосферного воздуха мониторируемых площадок, а также возможность прогнозирования последствий воздействия факторов среды для территорий со сходным уровнем техногенной нагрузки.

4.2. Анализ чувствительности пилезии многоцветковой к стандартному мутагену диметилсульфату (ДМС) в условиях модельного эксперимента и аккумулятивной способности по отношению к тяжелым металлам и радионуклидам в условиях урбанизированной экосистемы. 4.2.1. Анализ чувствительности пилезии многоцветковой (Pylaisiapolyantha) к стандартному мутагену - диметилсульфату (ДМС>. Для оценки чувствительности пилезии многоцветковой к воздействию мутагена нами был поставлен модельный эксперимент, где в качестве позитивного контроля использовали диметилсульфат в концентрации 0,1%, 0,5% и 1%. В опыте использовали образцы пилезии многоцветковой, отобранные на фоновой территории. В многочисленных исследованиях было показано, что диметилсульфат (ДМС) обладает высокой мутагенной активностью для растений (Рапопорт, 1947, 1966, 1971, 1980; Вардуни, 1997; Мирзоян, 2001; Иванов, 2003) и индуцирует аберрации хромосом в корневой меристеме гороха посевного (Pisum sarivum) и почечной меристеме тополя дельтовидного (.Populus deltoides) (Вардуни, 1997, 2000; Мирзоян, 2001; Гуськов, 2009), а также свободнорадикальные процессы у растений (Гуськов. 2009). Наличие корреляционной взаимосвязи между показателями индуцированной хемилюминесценции, характеризующими интенсивность свободно-радикальных процессов и степенью повреждения генетического материала клеток (Гуськов, 2009) позволяет использовать эти показатели для оценки мутагенной опасности. Наличие достоверных отличий по показателям индуцированной хемилюми-несценции после воздействия ДМС от «нулевого» варианта» позволяет использовать пилезию многоцветковую для оценки мутагенной опасности в биомониторинге. Показатели индуцированной хемилюминесценции в клетках пилезии многоцветковой после воздействия ДМС различной концентрации представлены на рисунках 5 и 6.

Светосумлла (Sm)

_ GOOOOOOOO

500000000

S 400000000 S 300000000

S 200000000

5 ÍOOOOOOOO та

та о

—■—контроль O.l % pací вор ДМС |у.с.)

-0.5 % раствор ДМС (у.с.) —к—1 % раствор ДМС (у-с.)

О часов 1 час 2 часа 4 часа 6 часов 12 часов 24 часа

Рис.5.Показатели светосуммы Н202- индуцированной люминолзависимой хемилюминесценции гомогената пилезии многоцветковой после обработки раствором ДМС различной

концентрации.

Высота быстрой вспышки (И)

(3_ 4500000 4000000 ^ 3500000

^ —Г зоооооо

35 ^ 2 500000 О ~ 2000000 Ъ 5 1500000

х г юооооо

5 5 БООООО

Рис.6. Показатели высоты быстрой вспышки Н2О2- индуцированной люминолзависимой хемилюминесценции гомогената пилезии многоцветковой обработки раствором ДМС различной концентрации

При обработке пилезии многоцветковой раствором ДМС концентрацией 0,1 % максимальная величина показателя быстрой вспышки наблюдалась после 24 часов воздействия. Динамика изменений характеризовалась достоверным увеличением показателя высоты быстрой вспышки после 1 и 4 часов обработки, затем понижением показателя после 12 часов обработки ниже контрольного и дальнейшим резким увеличением, достигающим максимума после 24 часов. При обработке ДМС концентрацией 0,5% максимум наблюдался после двух часов обработки, концентрацией 1 % - после 24 часов обработки. Светосумма импульсов, характеризующая скорость реакции радикалов с антиоксидантными системами проб гомогената, достигала максимальных значений для концентрации ДМС 0,1% после 1 часа и 24 часов обработки, для концентрации ДМС 0,5% после 2 часов обработки и для концентрации ДМС 1% - после 24 часов обработки.

Исследование чувствительности пилезии многоцветковой к воздействию ДМС методом индуцированной хемилюминесценции показало, что ДМС в концентрации 0,1%, 0,5% и 1% индуцирует свободнорадикальные процессы, интенсивность которых достоверно отличается от контрольных показателей. Пилезия многоцветковая является удобным тест-объектом, который может быть использован для биоиндикации окружающей среды методом люминол-зависимой хемилюминесценции. Уровень свободнорадикальных процессов в гомогенате пилезии многоцветковой при воздействии ДМС отражает степень повреждения генетического материала клеток и в случае невозможности цитогенетического анализа является важным косвенным показателем интенсивности мутационного процесса.

4.2.2. Анализ содержания тяжелых металлов в пилезии многоцветковой произрастающей на тестирных растениях тополя на исследуемых площадках г.Ростова-на-Дону. Химический состав мхов является информативным показателем для оценки содержания тяжелых металлов и других химических элементов в атмосферном воздухе на исследуемых территориях. Эпифитные мхи обладают большей аккумулятивной способностью по сравнению с наземными, они хуже переносят условия загрязнения, а наиболее оптимальным тест-объектом для биоиндикации атмосферного воздуха урбанизированных территорий является вид пилезия многоцветковая (Ру/яша ро1уап1ка) (Рогова, Рыжакова и др., 2009,

О часов 1 час 2 часа

-контроль

-0,5 % раствор ДМС (у.«..> -

ОД % расюор ДМС (у.с.) -1 % расюор ДМС (у •<?.)

2010). В нашем исследовании было осуществлено определение валового содержания тяжелых металлов в пробах пилезии многоцветковой, произрастающей на тестерных растениях тополя дельтовидного г. Ростова-на-Дону. Валовое содержание тяжелых металлов в пробах пилезии многоцветковой исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону сравнивали с валовым содержанием тяжелых металлов в «фоновых» мхах. Интенсивность аккумуляции элементов в пилезии многоцветковой оценивали по коэффициенту концентрирования (Кк) и суммарному показателю загрязнения (2с). Результаты валового содержания тяжелых металлов в пробах пилезии многоцветковой представлены на рисунке 7.

1600 1400 1200 1000 800 б 00 400 200

■ У(ррт) ШСг (ррт) ш Со (ррт} ■ N1 (ррт) ВСи (ррт) я гп (ррт) Аь (ррт) )5г(ррт) РЬ(ррт)

Рис. 7. Валовое содержание тяжелых металлов (мг/кг) Аз, Си, №, 2п, РЬ, V, Бг, Сг, Со в пробах

пилезии многоцветковой исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону, ррт (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 (шт. 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 условный контроль - Ботанический сад)

Коэффициент концентрирования (Кк) и суммарный коэффициент загрязнения исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону представлены на рисунках 8,9.

§■ а

«I

£ 1ь

1**и Ы I* Ь.

Рис.8. Коэффициент концентрирования (Кк) тяжелых металлов в пробах пилезии многоцветковой исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону, ррт (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 условный контроль - Ботанический сад)

1 llllalllll

i у.к ziise^eoio

Рис.9. Суммарный коэффициент загрязнения (Zc) 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 условный контроль - Ботанический сад)

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 3,1 раз. В остальных случаях превышения незначительны (V, Сг), либо зафиксированы значения ниже фоновых (Си, Ni). В пробах из всех районов, кроме Советского (площадка 2) и Октябрьского (площадка 8), обнаружены следовые значения Со. Ряд Кк для тяжелых металлов, концентрация которых достоверно превышает фоновую, выглядит следующим образом: Ленинский район (Кк) V> Cr > Sr> Zn> Pb; Советский район (Кк) Co>Zr»Sr>Pb>Cr>V; Железнодорожный район (зафиксированы высокие показатели по Sr (Кк 2,7), Cr (Кк 2,2), V(Kk 2,0), Zn (Кк 1,5), (Кк) Sr > Cr > V > Zn; Октябрьский район (Кк) Zn > Pb> Cr>V> Со; Первомайский район (Кк) Zn >V > Pb> V> Sr> Cr. Таким образом, пилезия 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), РЬ (максимальный Кс - 3,1), Sr (максимальный Кс - 2,7), Ni (максимальный Кк -1,07), Си (максимальный Кк -1,0). По величине Кк все аккумулируемые пилезией многоцветковой элементы образуют ряд (в соответствии с их способностью концентрироваться в пилезии многоцветковой Zn >Pb> Sr > Cr> V > Ni> Cu> Co.

Максимальные суммарные коэффициенты загрязнения наблюдались в промышленной зоне (районы ТЭЦ и ТЭЦ 2 и ОАО ГПЗ-10). Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования пилезии многоцветковой для биомониторинговых исследований.

4.23.Результаты анализа содержания радионуклидов в пробах пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону. Мхи имеют преимущество в определении атмосферных выпадений радионуклидов, так как у них лучшее соотношение поверхность/объем, и отсутствует хорошо развитая корневая система. Мхи имеют удельную поверхность площади в 10 раз больше, чем у травянистых растений (Winfried Schro, 2008; Dragovic, 2010). Было показано, что мхи накапливают более высокие количества металлов и радионуклидов по сравнению с сосудистыми растениями

(Winfried Schro, 2008; Clemens Reimann, 2008; Dragovic, 2010). Способность пилезии многоцветковой накапливать радионуклиды была оценена по отношению к 4 радионуклидам: b7Cs, 226Ra, 232Th и 40К с учетом фона. Выбор в качестве объекта исследования указанных радионуклидов обусловлен тем, что для радиоэкологии практически существенны естественные радионуклиды земного происхождения 40К, и радионуклиды ряда 238U и 2 2Th, а также искусственный радионуклид 137Cs. Удельную активность радионуклидов в пробах пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону сравнивали с удельной активностью в «фоновых» мхах, в приземном воздухе и почве. Степень аккумулятивности радиоинуклидов в пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha), определяли по коэффициенту концентрирования (Кк). Результаты удельной активности радионуклидов и коэффициента концентрирования (Кк) в образцах пилезии многоцветковой (Pylaisiapolyantha) представлены на рисунках 10,11.

1200

1000

5 800 О

S 600

£ OJ

сс 400

П)

| 200 ?

фон

а- _

и Cs-137 яил-ггб Th-232

Рис.10. Удельная активность Се, 'Яа, ТЪ и К в пробах пилезии многоцветковой исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону.

во

1У.К 23456789 10

■ С5-137 «[^-226 Т11-232 ■ К-40

Рис.11. Коэффициент концентрирования (Кк) "'Се, 226Яа, 2,2ТЬ,40К в пробах пилезии многоцветковой исследуемых площадок г.ростова-на-Дону.

Коэффициенты накопления радионуклидов по отношению к аэрозольной пыли (Кнв) и почве (Кнп) представлены на рисунках 12-15.

С5-Х37

45 40

£ и 35

; 5 »

Щ" £ 25

II "

Зпз 15 аг 10

■_ Ь . 1 1_ 1 11 1

Рис.12.Коэффициенты накопления Кнв и Кнп Се, в пробах пилезии многоцветковой .

1*а-226

± 5

-в- ас

т то

■ - ■ I

фон 1 У.к 2

4 5

«Кнп я Кип

Рис.13 Коэффициенты накопления Кнв и Кнп 22611а, в пробах пилезии многоцветковой

(Ру/аша ро1уап!ка).

ТИ-232

± § 1-5

кЬ

фон 1 У.К

Рис.14. Коэффициенты накопления Кнв и Кнп 232Т11 в пробах пилезии многоцветковой .

К-40

14 12

? ё 8

± о 6

-в- аг

(Т) (о 4

.а...Лил!

фон 1 У.К

■ Кип ■ Кнп . 40„

Рис.15. Коэффициенты накопления Кнв и Кнп К в пробах пилезии многоцветковой .

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 условный контроль - Ботанический сад)

Удельная активность радионуклидов в аэрозольной пыли приземного слоя воздуха Аш (Бк/кг) определена из объемной активности его в аэрозолях Аоа (Бк/м3) с учетом запыленности атмосферы (ш, г/м3). Средняя удельная активность 137Сз, 224Яа, 232ТЪ, 40К и в пробах мха, почвах и аэрозольной пыли совпадают в пределах погрешности определения (20%). Кк для '"Ся на исследуемых площадках, где удельная активность 137Ся превышает фоновые значения, колеблется в пределах от 1,05 до 6,6 (рис. 11). Максимальные значения Кк зафиксированы в Ленинском, Железнодорожном и Октябрьском районах. Максимальные значения Кнв и Кнп зарегистрированы по 137Сз в Ленинском районе. Максимальный коэффициент накопления (Кнв), характерный для 137Сз, равен 41,5 (превышение фонового значения 17,6 раз), Кнп для тС8 колеблется в пределах от 0,34 до 2,96 (рис. 12). Кк для 226Яа колеблется в пределах от 1,8 до 55. Максимальные значения Кс зафиксированы в Советском и Первомайском районах (рис. 11). Максимальные значения Кнв зафиксированы по 22611а в Советском районе, Кнп - в Ленинском районе. Максимальный коэффициент накопления по отношению к аэрозольной пыли (Кнв) характерный для 22б11а равен 3,6, Кнп колеблется в пределах от 0,12 до 3,6 (рис. 13). Кк для 232ТЬ колеблется в пределах от 1,06 до 25. Максимальные значения Кк зафиксированы в Советском и Ленинском районах (рис. 11). Максимальные значения Кнв и Кнп зафиксированы в Советском районе. Максимальный коэффициент накопления по отношению к аэрозольной пыли (Кнв) характерный для 232ТЪ равен 3,13, Кнп колеблется в пределах от 0,06 до 1,5 (рис. 14). Кк для 40К в пилезии многоцветковой колеблется в пределах от 1,2 до 7,8 (рис.11). Максимальные значения Кк зафиксированы в Ленинском районе, Кнв и Кнп - в Ленинском, Первомайском и Советском районах. Максимальный коэффициент накопления по отношению к аэрозольной пыли (Кнв), характерный для 40К, равен 12,21, Кнп колеблется в пределах от 0,4 до 2,62 (рис. 15).

В целом, удельная активность 137Сэ, 226й.а, 40К и 232ТЪ в образца пилезии многоцветковой оказалась выше, чем в почвах и аэрозольном воздухе. По результатам радионуклидного анализа выявлены зоны в г. Ростове-на-Дону, в которых коэффициенты накопления (Кнп и Кнв) |37Сз, 226Яа, 40К и 232ТЪ были максимальными. К числу зон, где были зафиксированы максимальные Кнв и Кнп относятся зона, сочетающая промышленную и автотранспортную нагрузку и автотранспортная зона. Это позволяет использовать пилезию многоцветковую для определения радиоактивности приземного воздуха, оценки результатов накопления радионуклидов за длительный период времени и изучения вклада радионуклидов в общий спектр генотоксических веществ, воздействующих на генетический аппарат пилезии многоцветковой.

Выводы

1. Многолетний мониторинг (2010-2012 гг) урбосистемы (г.Ростов-на-Дону) выявил максимальную активность недифференцированных мутагенов окружающей среды в зонах, сочетающих промышленную и автотранспортную нагрузки (Октябрьский, Ленинский районы) и автотранспортной зоне (Первомайский район), мутагенов атмосферного воздуха - в зоне, сочетающей промышленную и автотранспортную нагрузки (Ленинский, Октябрьский, Железнодорожный районы), а также в автотранспортной зоне (Первомайский район).

2. Мутагенная активность недифференцированных факторов окружающей среды всех исследуемых площадок г. Ростова-на-Дону статистически значимо превышала мутагенную активность на фоновой площадке и площадке условного контроля. Максимальное превышение уровня аберраций хромосом в зачаточной меристеме тополя дельтовидного наблюдалось в Октябрьском (в 4,6 раз), Ленинском и Первомайском районах (в 4 и 3 раза соответственно), относящихся к зоне, сочетающей промышленную и автотранспортную нагрузки. Наиболее распространенными типами аберраций хромосом были одиночные и множественные фрагменты.

3. Биомониторинг состояния атмосферного воздуха г. Ростова-на-Дону на основе хемилюминесцентного анализа клеток пилезии многоцветковой выявил достоверное увеличение показателей ХЛ-ответа на всех исследуемых площадках по сравнению с фоновыми значениями и условным контролем. Максимальные значения высоты быстрой вспышки и светосуммы наблюдали в Первомайском районе (площадка расположена в автотранспортной зоне), Ленинском и Октябрьском районах (площадка расположена в зоне, сочетающей промышленную и автотранспортную нагрузки).

4. По результатам оценки гено - и цитотоксичности экстракта пилезии многоцветковой были выявлены районы максимальной мутагенной активности атмосферного воздуха: Октябрьский, Ленинский и Железнодорожный районы (площадка расположена в зоне, сочетающей промышленную и автотранспортную нагрузки). Экстракт пилезии многоцветковой с разных площадок г. Ростова-на-Дону индуцировал повышенный уровень аберрации хромосом в корневой меристеме гороха посевного (превышение от 2 до 7 раз по сравнению с относительным контролем). Понижение митотического индекса составило от 1,2 до 3 раз.

5. ДМС в концентрации 0,1%, 0,5% и 1% индуцирует свободнорадикальные процессы в клетках пилезии многоцветковой, интенсивность которых статистически значимо отличается от контрольных показателей, что подтверждает чувствительность пилезии многоцветковой к воздействию мутагенов и позволяет использовать ее в качестве тест-объекта при биомониторинге.

6. Оценка аккумулятивной способности пилезии 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: 7л >РЬ> Бг > Сг> V > №> Си> Со. Максимальные Кк регистрировали для Тп - 5,9, РЬ - 3,1, Бг -2,7. Максимальный суммарный коэффициент загрязнения наблюдался в промышленной зоне (Советский район).

7. Содержание |37Ся, 22611а, 232ТЬ и 40К в пробах пилезии многоцветковой существенно превышало фоновые значения. Колебания Кк для 137Ся фиксировали в пределах от 1,05 до 6,6; для 22б11а - от 1,8 до 55; для 232ТЬ - от 1,06 до 25; для^К от 1,2 до 7,8. К числу зон, где были зафиксированы максимальные Кнв и Кнп относятся зона, сочетающая промышленную и автотранспортную нагрузку и автотранспортная зона.

8. Преимуществом системы биомониторинга, основанной на использовании тополя дельтовидного и пилезии многоцветковой, связанных консортивными взаимодействиями является возможность одновременной оценки суммарного эффекта воздействия недифференцированных мутагенных факторов за длительный период времени и мутагенной активности атмосферного воздуха в зонах исследования.

СПИСОК РАБОТ, опубликованных по теме диссертации Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Шиманская Е. И., Бессонов О. А., Горлачев И. А., Омельченко Г. В., Чохели В. .А., Вардуни Т. В. Методология оценки генотоксичности факторов окружающей среды с использованием растительных объектов //Валеология. 2010. №2. С.40-43.

2. Шиманская Е. И., Вардуни Т. В., Прокофьев В. Н., Шерстнев А. К., Омельченко Г. В., Горлачев И. А. Биотестирование технических вод нефтегазовых месторождений с использованием цитогенетических показателей растений // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2011. №2. С.51-53.

3. Омельченко Г. В., Кхатаб 3. С., Шерстнев А. К., Сазыкина М. А., Вардуни Т. В., Шиманская Е. И. Оценка генотоксичности окружающей среды г.Ростова-на-Дону с использованием растительных и бактериальных тест-систем. // Экология урбанизированных территорий 2011. г№3. С. 94-101.

4. Сазыкина М. А., Новикова Е. М., Кхатаб 3. С., Чистяков В. А., Сазыкин И. С., Омельченко Г. В. Токсичность почв городов Ростовской области -// Теоретическая и прикладная экология. 2012. № 2. С. 76-81.

5. Омельченко Г. В., Шиманская Е. И., Бураева Е. А, .Шерстнев А. К, Чохели В. А. Вьюхина А. А., Вардуни Т. В, Середа В. А. Оценка генотоксичности окружающей среды урбанизированных территорий с использованием древесно-

моховых консорций (на примере г. Ростова-на-дону) // Экология и промышленность России. 2012. №11. С.51-55.

6. Вьюхина А. А., Омельченко Г. В., Шиманская Е. И., Чохели В. А., Вардуни Т. В Применение методов биотестирования для индикации физических свойств геологической среды на примере исследования закономерностей распределения морфологических и цитогенетических показателей ценозообразующих видов деревьев в системе тектонических разломов Северного склона Главного хребта // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2013. №1. С 4551.

7. Омельченко Г. В., Вардуни Т. В., Шиманская Е. И., Бураева Е. А., Прокофьев В. Н., Чохели В. А., Азарин К. В.,Вьюхина Е. А., Вардуни М. М., Шерстнева И.Я. Оценка мутагенной активности приземного слоя воздуха промышленных регионов методом индуцированной хемилюминесценции //Электронный научный журнал Современные проблемы науки и образования. 2013. №5.

Статьи и тезисы в других изданиях:

8. Шиманская Е. И., Вардуни Т. В., Омельченко Г. В., Селин Л. В. Экологические проблемы нефтегазовых промыслов // Сборник материалов международной научно-практической конференции Проблемы рационального использования природных ресурсов и охрану окружающей среды (экологические и правовые аспекты) Махачкала. 2010. С.171.

9. Вьюхина А. И., Дрыгов Д. С., Вардуни Т. В., Омельченко Г. В., Шиманская Е. И. Закономерности варьирования фенотипических изменений ценозообразующих пород деревьев в системе кавказского тектонического разлома // Сборник материалов второй международной телеконференции в области медицины биологии экологии Томск. 2010. 10. Бутенко Е. И., Омельченко Г. В., Вардуни Т.

B. Комплексная оценка районов Волгодонской АЭС // Сборник материалов второй научно-практической Всероссийской конференции. Физиология адаптации. Волгоград. 2010. С.56.

11. Шиманская Е. И.,Омельченко Г.В.,Вардуни Т. В., Бураева Е. А. Скрининг состояния здоровья жителей 30-км зоны Волгодонской АЭС // Сборник материалов международной научно-практической конференции. Экологические проблемы природных и антропогенных территорий. Чебоксары. 2010.С.26.

12. Омельченко Г.В., Дрыгов Д. С., Вардуни Т. В., Шиманская Е. И. Биотестирование техногенных зон городских территорий с использованием древесных растений // Сборник материалов международной научно-практической конференции. Экологические проблемы природных и антропогенных территорий. Чебоксары. 2010. С.24.

13. Шиманская Е. И., Вардуни Т. В., Бураева Е. А., Омельченко Г. В., Дрыгов Д.

C., Бессонов О. А. Нефтегазовые промыслы и экология окружающей среды // Сборник материалов 10-ой Международной научно-практической конференции

«Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» Санкт-Петербург. 2010.С.345-346.

14. Омельченко Г. В., Дрыгов Д. С. Биотестирование техногенных зон городских территорий с использованием древесных растений // Материалы 15-ой Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» Новосибирск. 2010.С.273.

15. Сардар 3. К., Сазыкина М. И., Омельченко Г. В. Мониторинг загрязнения воды рек г.Ростова-на-Дону и Ростовской области при помощи бактериальных LUX -биосенсеров // Материалы 15-ой Международной экологической студенческой конференции Экология России и сопредельных территорий. Новосибирск. 2010. С.270-271

16. Омельченко Г. В., Вардуни Т. В., Шиманская Е. И., Бураева Е. А. Оценка генотоксичности окружающей среды г.Ростова-на-Дону с использованием растительных тест-систем // Материалы IV Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины. Ростов-на-Дону. 2011. С.218.

17. Омельченко Г. В., Дрыгов Д. С., Бураева Е. А., Вардуни Т. В., Шиманская Е. И. Многолетний биомониторинг урбанизированных территорий с использованием древесных растений. // Сборник статей I международной научно-практической конференции Экологические проблемы природных и антропогенных территорий Чебоксары. 2011 .С. 144.

18. Сазыкина М. А., Новикова Е. М., Кхатаб 3. С., Сазыкин И. С., Омельченко Г. В., Сазыкина М.И. Генотоксичность почв городов Ростовской области // Межвузовский сб. науч. работ с материалами трудов участников 4-й Международной телеконференции Фундаментальные науки и практика. Томск. 2011. С.107-108.

19. Омельченко Г. В. Шиманская Е. И., Бураева Е. А., Шерстнев А. К., Чохели В. А., Вьюхина А. А., Вардуни Т. В. Способ оценки генотоксичности окружающей среды урбанизированных территорий с использованием физикохимических и цитогене-тических показателей растений // Материалы X Всероссийской конференции и Российской молодежной научной школы "Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем Анапа. 2012. С.124-126.

20. Рыбалко Д. А., Чохели В. А., Омельченко Г. В., Вардуни Т. В., Бураева Е. А. Накопление радионуклидов объектами брио- и лихенофлоры. // Сборник материалов Восемнадцатой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-18), Красноярск. 2012. С. 667-668.

21. Чохели В. А., Триболина А. Н., Омельченко Г. В., Бураева Е. А., Вардуни Т. В. Использование бриофлоры для оценки генотоксичности приземного слоя воздуха урбанизированных территорий // Сборник материалов Восемнадцатой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-18), Красноярск. 2012. С. 434 - 435.

22. Рыбалко Д. А., Чохели В. А., Омельченко Г. В., Вардуни Т. В., Бураева Е. А. Накопление радионуклидов объектами брио- и лихенофлоры // Сборник материалов Всероссийской молодежной научной школы. Актуальные проблемы физики Ростов-на-Дону. 2012. С. 202 - 203.

23. Шиманская Е. И, Омельченко Г .В., Вьюхина А. А. Чохели В. А., Вардуни Т. В. Методология оценки генотоксичности приземного слоя воздуха урбанизированных территорий с применением бриофлоры // Сборник материалов Международной научной конференции. Генетика и биотехнология XXI века: Проблемы, достижения, перспективы. Минск. 2012. С. 116.

Список использованных сокращений:

Ахр - аберрации хромосом

АФК - активные формы кислорода

ДМС - диметилмульфат

ПОЛ - перекисное окисление липидов

Хл - хемилюминесценция

7л - Суммарный коэффициент загрязнения

Кс - Коэффициент концентрации

Кнв - Коэффициенты накопления радионуклидов по отношению к атмосферному воздуху

Кнп - Коэффициенты накопления радионуклидов по отношению к почве

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1.0 уч.-изд.-л. Заказ N2 3202. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Омельченко, Галина Валентиновна, Ростов-на-Дону

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Омельченко Галина Валентиновна

03.02.08 - экология (биологические науки)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор педагогическихнаук, кандидат биологических наук, профессор Т.В. Вардуни

Ростов-на-Дону - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1 Обзор литературы............................................................................................................7

1.1. Методы биотестирования, биоиндикации и биомониторинга.......... - 7

1.2. Обзор тест-систем с использованием растительных организмов............25

1.2.1. Тест-системы с использованием однолетних растений................................28

1.2.2. Древесные растения, как тест-объекты для многолетнего мониторинга генотоксичности окружающей среды........................................................31

1.2.3. Листостебельные мхи, как тест-объекты мониторинга генотоксичности окружающей среды..........................................................................................34

1.3. Характеристика экологической обстановки в городе Ростове-на-

Дону..............................................................................................................................................................................37

1.3.1. Состояние атмосферного воздуха г. Ростова-на-Дону....................................39

1.3.2. Состояние водных ресурсов г. Ростова-на-Дону................................................45

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................51

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................59

3.1. Цитогенетический анализ..............................................................................................................................59

3.1.1. Цитогенетический анализ зародышевой меристемы листовых

почек тополя (Populus deltoides March)......................................................................................59

3.12.Цитогенетический анализ корневой меристемы гороха посевного... 60

3.1.3. Оценка цитотоксичности экстракта пилезии многоцветковой по показателям митотического индекса клеток корневой меристемы гороха посевного (Pisum sativum)................................................................................................................61

3.1.4. Приготовление экстракта пилезии многоцветковой для анализа на гено - и цитотоксичность........................................................................................................................62

3.2. Хемилюминесцентный анализ проб пилезии многоцветковой

(Pylaisia polyantha)..........................................................................................................................................62

3.2.1. Оценка чувствительности пилезии многоцветковой к воздействию

диметилсульфата методом индуцированной хемилюминесценции..................64

3.3. Определение валового содержания тяжелых металлов в пробах

пилезии многоцветковой (Ру1а1я1а ро1уапЖа)..............................................................................................64

3.4. Определение радионуклидного состава проб пилезии многоцветковой (Ру1тзга ро1уаЫка)..............................................................................................65

3.5. Статистическая обработка данных.................................................66

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

4.1. Биомониторинг урбанизированной экосистемы (г. Ростова-на-Дону) с использованием тополя дельтовидного (Populus deltoids) и пилезии много-цветковой (Pylaisia polyantha), связанных консортативными взаимо-действиями..................................................................68

4.1.1. Оценка мутагенной активности недифференцированных факторов окружающей среды урбанизированной экосистемы г. Ростова-на-Дону с помощью цитогенетических показателей зачаточной меристемы тополя дельтовидного.......................................................................... 68

4.1.2. Оценка мутагенной активности атмосферного воздуха г. Ростова-на-Дону с помощью пилезии многоцветковой.................................. 77

4.2. Анализ чувствительность пилезии многоцветковой к стандартному мутагену диметилсульфату (ДМС) в условиях модельного ксперимента и аккумуляционных способности по отношению к тяжелым металлам и радионуклидам в условиях урбанизированной экосистемы.................. 91

4.2.1. Анализ чувствительности пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) к стандартному мутагену - диметилсульфату (ДМС)............ 91

4.2.2. Анализ содержания тяжелых металлов в пилезии многоцветковой, произрастающей на маркерных растениях тополя в различных точках г. Ростова-на-Дону.............................................................................. 99

4.2.3. Результаты анализа содержания радионуклидов в пробах пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) из различных точек г. Ростова-на-

Дону.......................................................................................... 106

ВЫВОДЫ................................................................................ 119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 121

ВВЕДЕНИЕ

Мониторинг мутагенов окружающей среды с использованием растительных тест-объектов получил широкое распространение (Гуськов, Шкурат, 1993, 2000; Буторина, Калаев, 2000; Калаев, 2009; Майнулов, Багдасарян, 2004; Неверова, Николаевский, 2002; Неверова, Колмогорова, 2002; Королева, 2006; Белоусов, 2011; Рогова, Рыжакова и др., 2009; Шматова, 2012). Существующие технологии биомониторинга, как правило, основаны на оценке узкого спектра показателей одного растительного тест-объекта. Системный подход к разработке технологий биомониторинга предполагает использование растительных организмов, характеризующихся различной чувствительностью к генотоксикантам и аккумулятивной способностью, и являющихся элементами одного растительного сообщества. В связи с вышесказанным, был осуществлен биомониторинг, основанный на оценке цитогенетических и биохимических показателей растений, связанных консортивными взаимодействиями. В ходе исследования была проведена серия экспериментов по созданию новой комплексной системы биомониторинга с использованием эпифитного мха пилезии многоцветковой (Pylaisia polyantha) (Hedw.) B.S.G, связанного консортивными взаимодействиями с тополем дельтовидным (Populus deltoides Marsh), являющимся видом-консортообразователем.

Задачи исследования:

2. Оценить мутагенную активность недифференцированных факторов окружающей среды урбосистемы г. Ростова-на-Дону с помощью

цитогенети-ческих показателей зачаточной меристемы тополя дельтовидного.

5. Проанализировать преимущества использования системы биомонито-ринга урбосистем с применением пилезии многоцветковой и тополя дельто-видно го, находящихся в консортивных взаимодействиях.

Основные положения, выносимые на защиту.

недифференцированных факторов среды и атмосферного воздуха. Впервые оценена чувствительность пилезии многоцветковой к воздействию стандартного мутагена диметилсульфата (ДМС) в модельном эксперименте. Впервые осуществлена одновременная оценка аккумулятивной способности пилезии многоцветковой по отношению к тяжелым металлам и радионуклидам в условиях урбосистемы (г. Ростов-на-Дону) и показателей, характеризующих интенсивность мутационного процесса в клетках пилезии многоцветковой.

Теоретическая значимость. Проведенные исследования позволили разра-ботать комплексную систему биомониторинга урбосистем, основанную на ипользовании растений, находящихся в консортивных взаимодействиях. Отдельные компоненты предложенной системы

биомониторинга могут быть использованы самостоятельно, при совместном использовании информативность системы биомониторинга существенно возрастает. Предлагаемая система биомониторинга позволяет прогнозировать мутагенную опасность в урбосистемах со сходным уровнем техногенной нагрузки.

Апробация работы. Результаты диссертации представлены на международных научно-практических конференциях: «Проблемы

рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды. Экологические и правовые аспекты» (Махачкала, 2010); «Basic science and practice» (Томск, 2010); «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности (Санкт-Петербург, 2010); «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов-на-Дону, 2011); «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011); «Экологические проблемы природных и антропогенных территорий» (Чебоксары, 2011); «Генетика и биотехнология XXI века: Проблемы, достижения, перспективы» (Минск, 2012) и Ученых Советах НИИ биологии ЮФУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы, из которых - 7 в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Исследование выполнено при финансовой поддержке ФЦП Министерства и науки РФ (госконтракт № 16.740.11.0485).

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Методы биотестирования, биоиндикации и биомониторинга.

Первой проблемой, с которой сталкиваются исследователи, пытаясь контролировать процессы, связанные с загрязнением, является проблема мониторинга уровня загрязнения (Егорова, Сынзыныс, 1997; Петухова, Доронина, 1999; Goldstein, 1999; Евсеева, Гераськин, 2000; Егорова, Белолипецкая, 2000;). Методы, традиционно используемые для задач мониторинга, можно условно разделить на две группы: методы инструментального анализа и биотестирования. Существует общепринятое мнение, что главной чертой инструментального анализа является специфичность, а биотестирования - интегральность получаемой информации (Егорова с соавт., 2009; Wanekaya et al, 2008; Dawson et al, 2008). Следователь-но, только сочетание этих двух подходов может дать наиболее объективную характеристику объекта и процессов, которые могут представлять потенциаль-ную опасность для живых организмов, включая человека. Высокая измен-чивость экологических параметров урбанизированных территорий, обилие разнохарактерных источников загрязнения чрезвычайно затрудняют приме-нение исключительно традиционных методов химического и физического анализа. Большое число проб, которые необходимо исследовать в сжатые сроки, а также необходимость оценки степени их генотоксичности для живых организмов определяет необходимость использования экспресс методов скри-нинга, позволяющих исключить из анализа «чистые» пробы, а также методов, позволяющих оценить генетические последствия воздействия комплекса экологических факторов.

Биологический контроль или биомониторинг окружающей среды включает две основные группы методов: биоиндикацию и биотестирование.

Биоиндикация это обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на живые организмы непосредственно в среде их обитания. Живые организмы, используемые при биоиндикации,

должны обнаруживать четкий, воспроизводимый и объективный отклик на воздействия, а также реагировать на малые концентрации загрязнителей (Егоров, 1999; Волков, 2001; Егоров с соавт., 2001; Федорова 2002; Стаселько, 2007).

Биотестирование позволяет получить интегральную

токсикологическую характеристику природных сред независимо от состава загрязняющих веществ, поскольку большая часть загрязняющих веществ, в связи с отсутствием оборудования, методик и стандартов, аналитически не определяется, поэтому методы биотестирования приобретают все большую популярность (Дятлов, 2000). Основные методологические приемы биотестирования направлены на мониторинг, изучение генотоксических эффектов (цитогенетический мониторинг) поллютантов и физических факторов окружающей среды, являясь эффективным инструментом исследования процессов индуцированного мутагенеза в естественных популяциях и модельных объектах. Под генетическим мониторингом следует понимать слежение за уровнем содержания генотоксикантов в различных компонентах окружающей среды и генетическим здоровьем населения. Одной из главных задач генетического мониторинга является разработка адекватных тест-систем для оценки генетической опасности действия мутагенных факторов среды (Бондаренко, Дукельская, 2007). Методы биотестирования все чаще используются, так как они дополняют систему аналитических и аппаратурных методов контроля природной среды: воздуха, воды, почвы (Бурак, 2004).

По мнению Мелеховой (2007), использование биологических тест-систем позволяет определить изменения в экосистемах на очень ранней стадии, когда они еще не проявляются в виде морфологических и структурных изменений и их нельзя выявить другими методами. Это дает возможность предвидеть нарушения экосистемы и вовремя принять меры. Кроме того, состояние биоиндикаторов можно использовать как дополнительную информацию при оценке здоровья населения. По словам

Егоровой (2009), кумулятивный эффект всего многообразия сочетаний различных воздействий возможно оценить лишь с помощью биотестирования. Методы биотестирования можно классифицировать в зависимости от применяемых объектов, среди которых:

1- бактериальные тест-системы тест - Эймса, SOS-lux тест;

2- тест-системы с использованием растений;

3- тест-системы с использованием животных объектов.

Как правило, современный комплексный подход к биотестированию предполагает оценку как общей токсичности с использованием растительных видов, так и цитотоксичности (по ядрышковому биомаркеру) или(и) генотоксичности (по микроядерному тесту) на клетках этих же организмов (Климова, 2009; Тютиков, 2010; Белоусов, 2011).

Цитогенетические характеристики др�

Информация о работе

Омельченко, Галина Валентиновна
кандидата биологических наук
Ростов-на-Дону, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Использование тополя дельтовидного и пилезии многоцветковой в биомониторинге урбосистем - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы