Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Реакция мелких млекопитающих на воздействие малых доз хронического радиоактивного облучения

ВАК РФ 03.00.29, Охрана живой природы

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Циперсон, Владислав Польевич, Москва



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

на правах рукописи ЦИПЕРСОН Владислав Польевич

РЕАКЦИЯ МЕЛКИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ МАЛЫХ ДОЗ ХРОНИЧЕСКОГО РАДИОАКТИВНОГО ОБЛУЧЕНИЯ (на примере Брянской области)

Специальность 03.00.29 - Охрана живой природы, 03.00.08 - Зоология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель доктор биологических наук

ДОЛГОВ В.А.

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................3

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Особенности радиоактивного загрязнения территорий Брянской области в результате аварии на ЧАЭС...............8

Геоботаническое описание территорий, выбранных для исследования; дозы облучения; объекты исследования; подходы и методы исследования......................................13

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

137

Особенности аккумулирования Се в почвах, органах и тканях животных в радиационном биогеоценозе.............26

СОСТОЯНИЕ ПОПУЛЯЦИЙ МЕЛКИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ В ЛЕСНЫХ БИОЦЕНОЗАХ

Видовое разнообразие, численность, динамика численности мелких млекопитающих на загрязненных

и контрольных участках.................................................36

Половая и возрастная структура популяций мелких млекопитающих............................................................40

Влияние хронического радиоактивного облучения на

репродуктивный потенциал размножения рыжих

полевок и полевок-экономок...........................................60

МОРФОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ РИСУНКА ЖЕВАТЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ КОРЕННЫХ ЗУБОВ...............73

ИММУНО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ

МЕЛКИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ...........................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................109

ВЫВОДЫ......................................................................112

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................116

ВВЕДЕНИЕ

Изучение воздействия малых доз хронического радиоактивного облучения на экосистемы приобретает в последнее время все более важное значение в связи с увеличивающимся радиоактивным загрязнением среды. Последствия ядерных испытаний, развитие атомной энергетики, недостаточно надежное захоронение радиоактивных отходов, и наконец, авария на Чернобыльской АЭС, имевшая глобальные последствия, показали насколько опасным может быть хроническое радиоактивное загрязнение среды.

В целом, проблема хронического загрязнения радиоактивными элементами биогеоценозов возникла еще после аварии на предприятии "Маяк", в результате которой образовался Восточно-Уральский радиоактивный след. Однако, проводившиеся на этих территориях исследования были сосредоточены, главным образом, на особенностях поступления и аккумулирования радиоактивных изотопов в разных элементах биогеоценоза, скорости и путях миграции радионуклидов по трофическим цепям, на воздействии радиоактивного облучения на отдельные системы организма и организм в целом (в частности, Тихомиров и Моисеев, 1988; Лысиков, 1990, Романов и др., 1990).

Изучению влияния малых доз хронического облучения на популяции животных, как одной из наиболее важных компонент функционирования экосистем посвящено не так много работ (с учетом исследований по Восточно-Уральскому радиоактивному следу), выполненных, как правило, в рамках отдельно взятых специфических условий, иногда искусственно созданных (МШок е1 а1., 1985; Тестов, 1980; Тестов и др., 1993, Ильенко и Крапивко, 1988, 1989). Лишь в последнее время, в связи с аварией на Чернобыльской АЭС, стали появляться публикации фокусирующие свое внимание на

этой теме (Рождественская и др., 1990; Долгов и др. 1992; Захаров и Кларк, 1993; Захаров и Крысанов, 1996; Кудяшева и др. 1997; Tsiperson & Soloviev, 1997) и др.

Также необходимо отметить, что в целом влиянию радиоактивности на живые организмы посвящена обширная и разнообразная литература (в частности, Hollaender, 1954; Кузин и Шапиро, 1964; Троицкий и др., 1965; Петров и Зарецкая, 1970; Бонд и др., 1971; Шубик и др., 1973; Хамидов и др., 1986; Москалев, 1989 и др.). Однако, главным образом, она отражает специфику воздействия острых и однократных доз различных видов радиоактивного облучения.

Как уже было отмечено выше, авария на Чернобыльской АЭС послужила причиной повышенного внимания к проблеме именно малых доз хронического облучения и инициировала целый комплекс исследований в этом направлении (Мельников и др. 1991; Савцова и др. 1991; Пелевина и др. 1991; Воздействие радиоактивного загрязнения... 1996 и др.). В то же время, как и при изучении воздействий острых и однократных доз облучения, большинство исследований связанных с малыми дозами, были выполнены или на отдельных структурах и системах организма, например, облучение молекулярных комплексов, ферментативных систем, популяций клеток, отдельных органов и тканей (Эйдус, 1977; Хансон, 1979; Хансон, 1985; Кузин, 1991; Кузин, 1995); или на различных видах лабораторных и домашних животных в экспериментальных условиях, или с использованием лабораторных животных в природе, что в определенной степени делает эти исследования неполными для оценки реальной ситуации складывающейся при облучении низкой интенсивности животных обитающих в природной среде. Подобная проблема возникает при изучении действия любых токсических веществ на среду (МсВее and Bickham, 1990; Захаров и Кларк, 1993).

В настоящее время не существует единой концепции биологического действия малых доз ионизирующего излучения, определенности в понимании механизмов их воздействия (в сравнении с высокими дозами облучения) на живые организмы с позиций классической радиобиологии, что отмечается многими исследователями (Бурлакова, 1994; Послед.Черноб.катастр..., 1996 и др.). Причем, это касается действия облучения как на клетки млекопитающих и человека (Гераськин, 1995), так и на организм, популяцию и т.д. Неоднозначность влияния малых мощностей доз радиоактивного облучения на биоту вызывает противоречивые мнения: от благоприятного влияния - идея радиационного гормезиса (Кузин, 1991, 1995), до исключительно вредоносного (Захаров и Крысанов, 1996). Недостаточная изученность механизмов воздействия малых доз хронического облучения, в частности, на популяции животных, их ответная реакция и возможности адаптации к изменившимся условиям, показали необходимость рассмотрения этой проблемы с разных сторон и на разных уровнях - от индивидуального до популяционного. Кроме того, важное значение при изучении воздействия хронического радиоактивного облучения на популяции животных имеют длительные наблюдения, позволяющие во времени оценить радиационный эффект.

Данная работа является частью комплексных исследований проводимых научно-исследовательским коллективом кафедры зоологии позвоночных животных и общей экологии Биологического факультета Московского Государственного Университета на территории Брянской области, загрязненной в результате аварии на Чернобыльской АЭС, и посвящена разностороннему изучению природных популяций мелких млекопитающих находящихся под воздействием радиационного стресса. Мелкие млекопитающие, выбранные для исследования, являются удобным объектом по ряду причин: в большинстве биогеоценозов они доминируют, легко доступны для отлова,

многочисленны, что позволяет собрать достаточный сравнительный материал. Кроме того, быстрая ротация поколений присущая мелким млекопитающим позволяет не только установить влияние облучения на разные генерации животных, но и на их потомство и прогнозировать отдаленные последствия. Анализ радиоэкологической литературы показал также необходимость комплексного подхода и интегральной оценки, складывающейся из отдельных параметров: морфологических, физиологических, иммунологических, генетических, демографических и других. Также стало очевидным, что использование одних и тех же объектов для оценки разнообразных показателей позволит выявить как, и на каком уровне - клеточном, органном, организменном или популяционном происходят изменения, вызванные хроническим радиоактивным облучением в малых дозах. Кроме того, немаловажное значение при оценке радиоактивного облучения имеет характер загрязнения экосистем, вызванный определенным набором радиоактивных элементов, имеющих свои биофизические особенности: вид излучения, период полураспада, биологическое действие и др. Так, территории Брянской области были загрязнены, главным образом, долгоживущими радионуклидами 908г и 137Сз. Причем радиоцезий вносит основной вклад в гамма-облучение: как внешнее, так и внутренне, являясь наиболее опасным

1 07

радионуклидом для живых организмов. Кроме того, известно, что Сб по своим химическим свойствам является аналогом калия и замещает его при попадании в организм животных. Также известно, что ионы калия участвуют в поддержании мембранного потенциала клетки, в регуляции клеточного объема и активном транспорте Сахаров и аминокислот (Албертс, 1986). Поэтому радиоцезий, замещая калий в обменных процессах организма, может оказывать значительное воздействие на эти процессы.

В связи с этим целью данной работы было выявление специфики действия малых доз хронического радиоактивного облучения, основным источником которого является 137Сз на природные популяции мелких млекопитающих лесных сообществ по комплексу признаков - экологических, иммуно-физиологических, морфологических. Исходя из этой цели, в задачи исследования входило:

1) Оценить состояние и функционирование популяций животных по ряду популяционных параметров: численности животных, видовому разнообразию, половой и возрастной структуре.

2) Оценить иммунный статус и физиологическое состояние животных на основании структурно-функционального состояния их внутренних органов.

3) Определить наличие морфологических изменений, основываясь на изучении степени морфотипической изменчивости рисунка жевательной поверхности коренных зубов.

1 "37

4) Определить уровень накопления радиоактивных изотопов Сб, как основного источника гамма-облучения, в органах и тканях животных, формирующих дополнительные дозовые нагрузки на них, и в верхних слоях почвенного горизонта, к которым приурочена жизнедеятельность многих мелких грызунов и насекомоядных.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Особенности радиоактивного загрязнения территорий Брянской области в результате аварии на ЧАЭС

Авария на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС сопровождалась частичным разрушением активной зоны реактора, продолжительным горением графита и выбросом в атмосферу огромного количества радиоактивных продуктов деления. Характерная особенность этой аварии в том, что поступление в атмосферу газообразных, летучих и аэрозольных продуктов продолжалось на протяжении нескольких недель. Большая часть радиоактивного выброса пришлась на радиоактивные короткоживущие продукты деления, такие как 1311, 141Се, 952г, 10311и и др. Суммарное количество этих радионуклидов на ближнем участке следа составило

137

80 %. Особо опасных радионуклидов в радиологическом плане выпало меньше: Сб - 2,5 % 908г - 0,8 % от общего количества (Анненков и Юдинцева, 1991). Наиболее мощная струя выброса наблюдалась в течение первых нескольких дней после аварии в северном, северо-западном и северо-восточном направлениях. Сложившиеся климатические условия и сравнительно большая высота подъема радиоактивных выбросов были причиной достаточно интенсивного загрязнения ряда районов Украины, Белоруси, России. Одним из самых загрязненных мест России стала территория Брянской области. Из общей площади области - 34,9 тыс. км от Чернобыльской аварии пострадало в той или иной степени около трети области. В первый месяц после аварии значительный вклад в суммарную радиоактивность вносили короткоживущие изотопы: 10611и, 141Се, 1031, обуславливающие высокий гамма-фон на территории Брянской области. Однако основной радиоактивный след в области оставили |37Сз и 908г, которые подвергают организм внешнему и внутреннему облучению, отличаются высокой биологической активностью, и к тому

же являются долгоживущими радионуклидами с периодом полураспада 30 и 28 лет (соответственно).

Основной природный фон Брянской области составляют ландшафты полесий, представляющие собой пониженные песчанно-супесчанные равнины с дерново-подзолистыми почвами, с очень неравномерной освоенностью, на значительных площадях сильно залесенные, и ополий - возвышенные, лессово-суглинистые эрозионно расчлененные территории с серыми лесными почвами, интенсивно распахиваемые. Геоморфологические особенности данных ландшафтов в сочетании с метеорологическими условиями в первые недели после аварии на ЧАЭС обусловили пятнистый характер загрязнения территорий радиоактивными элементами.

К 1987-88 годам был практически завершен процесс геобиологического распределения радионуклидов водно-воздушных выбросов ЧАЭС с преимущественно девяносто процентным их накоплением в верхней зоне геологической среды - в почвах - грунтах, донных отложениях водоемов, лесной подстилке (Яковлев, 1991).

Всего в области загрязнена территория площадью более 11 тыс.км . Из них 2,7 тыс. кв. км приходится на долю гослесфонда - 24,5 % всей загрязненной территории или 35 % лесов Брянщины (Евстратов 1991). На участках с концентрацией радионуклидов от 1-5 Ки/км2 находится 650 населенных пунктов и проживает свыше 192 тыс. человек, с уровнем

5-16 Ки/км2 - 255 нас. пунктов (141 тыс. человек), 15-40 Ки/км2 - 233 нас. пункта (105 тыс. человек) более 40 Ки/км2 - 44 нас. пункта (6800 человек) (Самойленко, 1991). В пределах Брянской области наиболее загрязненными оказались западные территории, прилегающие к Гомельской области. В значительно меньшей степени пострадали восточные и южные районы. Практически чистыми остались центральные районы области, что дает возможность использовать эти территории в качестве контрольных. Как видно из представленной карты (рис.1), характер

Носкба/в

оГ00А н#

г ^ ■•

0___

•v.. «-v-

Д •Чернигов

1

О

1_

80 460 Мб -»-1-' кг».

«

Рис. I. Территория пораженная радиоактивными осадками в результате аварии на Чернобыльской АЭС

Концентрация радионуклидовГ->40 Ки/км2, 2- 16-39 Ки/км2, 3- 1-15 Ки/км2.

- Место проведения исследования ( загрязненная территория )

Место проведения исследования ( контрольная территория )

распределения пятен крайне неравномерен. Отдельные локальные пятна имеют хорошо очерченные границы. В западных районах Брянской области, в основном пострадали территории Красногорского, Гордеевского, Новозыбковского (включая город Новозыбков), Климовского, Клинцовского, Злынковского, Стародубского районов.

Изотопный состав радиоактивного загрязнения по состоянию на 1988 и 1989 гг. представлен в таблице 1 (в процентах от суммарной бета-активности) (Степаненко и др. 1991).

Таблица 1. Изотопный состав радиоактивного загрязнения Брянской области

Радионуклид 1988 год 1989 год

Цезий-137 56,0 72,0

Цезий-134 14,0 14,0

Церий-144 7,0 4,0

Празеодим-144 7,0 4,0

Рутений-106 6,0 2,5

Родий-106 6,0 6,0

Стронций-90 0,5-2,0 0,5-2,0

Итрий-90 0,5-2,0 0,5-2,0

Всего 100% 100 %

1

В настоящее время плотность загрязнения по Сэ на почве в отдельных пятнах

9 О

достигает 50 Ки/км и выше - до 81 Ки/км , тогда как основной фон западных областей составляют уровни 20-30 Ки/км (Волкова и др.1991). Средний уровень гамма-излучения - от 0,1 до 0,5 мР/ч (Степаненко и др. 1991).

Кроме того, ситуация в районе загрязнения осложняется тем, что основу ландшафта составляют хвойные и смешанные леса на заболоченных торфянистых и дерново-подзолистых, супесчаных и серых лесных почвах, способных прочно удерживать радиоактивные вещества. По данным Б.А. Ушакова и A.B. Панфилова (1991) в лесах западных районов Брянской области (Клинцовский и Злынковский лесхозы) плотность загрязнения по радиоцезию составляет от

20 до 400 Ки/км . Около 80% радиоактивности приходится на гамма-излучение. Доля бета-составляющей не

1 47

превышает 20% активности. Из радиоактивных изотопов,

преобладает 1J'Cs (80 %

гамма-спектра), значительно меньше I34Cs (14%), 144Се и 106Ru - в сумме около 6 %. Исходя из этого, ежегодное расчетное снижение мощности дозы в результате радиоактивного распада составляет 8,5%. Фактически мощность дозы уменьшается на 20,9±1,1% в год, что Б.А. Ушаков и A.B. Панфилов объясняют ускорением вертикальной миграции радионуклидов по почвенному профилю в лесных грунтах и особенностями метеоусловий 1990 года. В общем, в подстилке и верхнем слое почвы находится 85-98% радионуклидов, что и определяет основной вклад этого яруса в формирование дозовых нагрузок в лесах. На глубине 20 см и глубже содержание радионуклидов не отличается от естественного (Ушаков и Панфилов, 1991).

Геоботаническое описание территорий выбранных для исследования; дозы облучения; объекты исследования; подходы и методы исследования

Работа проводилась с 1991 по 1994 год. Сбор материала осуществлялся в июле-августе месяце на территории Брянской области. Материал собирался как самостоятельно, так и в составе отряда кафедры зоологии позвоночных животных и общей экологии Биологи