Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние низкоинтенсивного электромагнитного излучения на ракообразных

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние низкоинтенсивного электромагнитного излучения на ракообразных"

На правах рукописи

Воробьева Ольга Владимировна

ВЛИЯНИЕ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАКООБРАЗНЫХ (НА ПРИМЕРЕ DAPHNIA MAGNA STRAUS)

03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва-2013

г 1 ноя 2013

005538516

Работа выполнена на кафедре гидробиологии Биологического факультета ФГБОУ ВПО Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор биологических наук, профессор Филенко Олег Федорович Биологический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова

кандидат физико-математических наук, Юсупов Владимир Исаакович ФГБУН Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, старший научный сотрудник Симаков Юрий Георгиевич доктор биологических наук, профессор ФГБОУ ВПО Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского, профессор Медянкина Мария Владимировна кандидат биологических наук ФГУУП Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии, заведующая лабораторией эколого-токсикологических исследований

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН

Защита состоится « У» декабря 2013 г. в Н'ЪО час. на заседании Диссертационного совета Д 501.001.55 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119889, г. Москва, Ленинские Горы, д. 1, кор. 12, МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет, ауд. .

С диссертацией можно ознакомиться в отделе диссертаций Фундаментальной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: Ломоносовский просп., д. 27, сектор «А», 8 этаж, комн. 812.

Автореферат разослан « ^ » ноября 2013 г

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат биологических наук

Н.В. Карташева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Среди средств физиотерапии особым успехом пользуются методы электромагнитных воздействий и, в частности, низкоинтенсивные облучения в видимой области спектра. Возможными источниками такого излучения являются лазеры и светоизлучакнцие диоды, которые все чаще применяются в медицинской практике. Низкоинтенсивное излучение гелий-неонового лазера используется при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата, в стоматологии, пульмонологии, кардиологии (Чудновский и др, 2002). Поскольку лазерный луч при прохождении через оптоволокно и кожные покровы теряет свойство когерентности (Кару и др, 1982), решающими параметрами для облучения оказываются спектральная плотность и длина волны (Чудновский и др, 2002). Поэтому наряду с лазерным воздействием, широкое применение находит и облучение с использованием светодиодных приборов. Наибольшее применение получили светодиодные и лазерные источники с излучением в красной и инфракрасной областях спектра. Показано, что облучение красным и инфракрасным светом может оказывать позитивные эффекты при определенных дозах (Plavskii et all, 2008, Tuner et all, 1999, Karu, 2007, Бриль и др, 2008), выявленными в том числе и для гидробионтов. Так, инфракрасное облучение увеличивало выживаемость икры рыб и стимулировало рост и размножение высших водных растений (Фельдман, 2006, Крутик, 2006). Однократное облучение позитивно влияло на жизнеспособность спермиев моллюсков и иглокожих, увеличивая их активность в среднем в полтора раза (Шкуратов и др., 1997), улучшало состояние потомства рачков Daphnia magna (Осипова и др., 2011). Облучение оплодотворенной икры осетровых рыб приводило к значительному повышению жизнестойкости рыб, увеличению их размерных и весовых параметров, повышало терморезистентность и токсикоустойчивость (Плавский, Барулин, 2008). Не смотря на большое количество работ, описывающих положительные эффекты от облучения, появляется все больше публикаций об отсутствии положительного результата, вплоть до развития побочных эффектов (Борисенко, 1997, Кару, 2000). По данным ряда авторов (Ding, 1998, Кару, 2000), применение неоптимальных параметров воздействия может не только не привести к желаемому позитивному эффекту, но и вызвать угнетение жизненно важных функций организма. В связи с этим, актуальной задачей является исследование закономерностей биологических эффектов низкоинтенсивного облучения, включая его отдаленные последствия для организмов. Одним из возможных путей ее решения является проведение опытов на тест-объектах с коротким жизненным циклом, в частности, на рачках Daphnia magna, которые используются в сертифицированных токсикологических испытаниях.

Цель и задачи исследования

Целью работы служило исследование влияния лазерного и светодиодного облучения на морфо-функциональные показатели ракообразных в ряду поколений на примере пресноводного рачка Daphnia magna Straus. В ходе ее реализации были поставлены следующие задачи:

1. Предварительно определить суммарную плодовитость дафний в лабораторной культуре в связи с сезоном года и такими условиями окружающей среды как температура, атмосферное давление, длина светового дня, а также плотность потока солнечного излучения в 10-см диапазоне длин волн;

2. Исследовать влияние низкоинтенсивного лазерного и светодиодного облучения на плодовитость, линейные размеры тела и качество потомства рачков в ряду поколений;

3. Исследовать эффект совместного действия однократного светодиодного облучения и хронического действия потенциально токсичных веществ на рачков;

4. Оценить возможную роль сопутствующих влияний светодиодного источника, в частности, электромагнитных полей, генерируемых прибором, в эффектах от облучения дафний.

Научная новизна работы

Впервые установлено влияние однократного лазерного и светодиодного облучения в видимой области спектра на морфо-функциональные показатели рачков Daphnia magna в ряду поколений. Выявлено, что как лазерное, так и светодиодное излучение с разной длиной волны оказывает влияние на плодовитость, линейные размеры тела и качество рожденной молоди как облученных рачков, так и их потомства, вплоть до четвертого поколения.

Впервые показана статистически значимая связь между увеличением дозы облучения красным светодиодным светом и увеличением плодовитости дафний.

Впервые выявлено появление аномалий (рождение мертвых и морфологически измененных особей) среди потомства облученных дафний. Аномалии появлялись после облучения как лазерным, так и светодиодным источниками с разными длинами волн, в широком интервале доз облучения (0,004-1300 мДж/см2).

Впервые показана возможность ослабления эффекта потенциально токсичных веществ (этилового спирта и бихромата калия) в концентрациях, превышающих предельно допустимые, на рачков, предварительно облученных некогерентным красным светом.

Практическая значимость работы

Показана необходимость дальнейшего исследования в экспериментальной и клинической практике побочных эффектов от низкоинтенсивного облучения не только на облученный организм, но и на его потомство. Данные об изменении интегральных показателей жизнедеятельности, проявляющиеся после однократного облучения в ряду поколений, могут бьггь использованы для выявления оптимальных

доз облучения при применении облучения в различных отраслях, в частности, в рыбохозяйственной деятельности. Установление пределов толерантности и оценка устойчивости организмов к внешним воздействиям может быть важным фактором при разработке санитарных нормативов электромагнитных загрязнений.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Плодовитость рачков Daphnia magna в течение года меняется в широких пределах. Изменения не связаны с колебаниями температуры и давления в пределах экологического оптимума вида, а также с длиной светового дня, но показана связь между изменением плодовитости и изменением плотности потока солнечного излучения (измеренной для 10-см диапазона длин волн).

2. Однократное воздействие как лазерным, так и светодиодным облучением с различными длинами волн может вызывать наследуемые изменения морфо-функциональных показателей жизнедеятельности рачков, проявляющиеся вплоть до четвертого поколения.

3. Предварительное облучение рачков некогерентным красным светом способно оказывать протекторное действие при хроническом действии потенциально токсичных веществ.

4. Электромагнитные поля радиочастотного диапазона, генерируемые лазером и светодиодным облучателем, по-видимому, оказывают влияние на жизненные функции рачков и могут вносить значимый вклад в результирующий эффект облучения.

Апробация работы

Материалы диссертации были доложены на конференции «Современные проблемы водной токсикологии. К 100-летаю со дня рождения профессора Е.А. Веселова», XVIII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2011», на XIX международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012», на XX международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2013», на V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине», на XVI международной студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий», международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных территорий».

Материалы работы послужили основой для отчетов по грантам № 10-02-00672 и № 02-12-31782 Российского Фонда Фундаментальных Исследований.

Публикации

По результатам работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендуемом ВАК. 2 статьи приняты к печати.

Объем и структура работы

Диссертация изложена на 104 страницах машинописного текста и состоит из введения, глав «Литературный обзор», «Объекты и методы исследования»,

«Результаты и обсуждения», заключения, выводов, списка литературы и приложения. Список литературы содержит 148 источника, из которых 55 иностранных. Работа иллюстрирована 12 рисунками и 11 таблицами.

Личный вклад автора

Работа основана на экспериментальных данных, полученных автором лично. Автор принимала непосредственное участие на всех этапах работы: проведение анализа литературных данных, проведение исследований, систематизации, обработки, анализа и интерпретации полученных результатов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В главе описаны особенности поглощения света тканями организма, представлены данные об использовании лазерного и светодиодного облучения в медицине, описаны эффекты облучения на биосистемы, обсуждаются существующие представления о механизмах низкоинтенсивного облучения на биообъекты, а также сравниваются эффекты от когерентного и некогерентного облучения.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служила лабораторная культура пресноводных рачков Daphnia magna - стандартного тест-объекта для токсикологических исследований. Культуру рачков выращивали в климатостате Р2 компании «Энерголаб» при постоянной температуре 22 °С и освещенности с чередованием дня и ночи 12 : 12 ч.

Эксперименты проводили согласно стандартным методикам проведения хронических экспериментов при биотестировании (Методическое руководство по биотестированию воды РД 118-02-90,1991; Методические указания по установлению эколого-рыбохозяйственных нормативов (ПДК и ОБУВ) загрязняющих веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение, 1998; Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний ФР. 1.39.2007.03.222, 2007).

Односуточных особей однократно облучали при помощи гелий-неонового лазера ГНЛ-111 (Х=632,8 нм, интенсивность облучения - 0,17- 13 мВт/см2, время экспозиции 10 - 100 с), а также при помощи прибора СДМ-01, генерирующего светодиодное излучение. На приборе СДМ-01 изучали эффекты красного (А.=650 нм, интенсивность облучения 0,04 - 0,91 мВт/см2, время экспозиции 0,1 - 300 с) и синего света (\=466 нм, интенсивность облучения 0,06 - 0,73 мВт/см2, время экспозиции 0,1 -300 с), подключая к общему блоку управления разные типы светодиодных излучателей (матриц). Расстояние от матрицы до чашки Петри с рачками составляло 13,5 см. В качестве контроля служили рачки из того же помета, но не подвергавшиеся воздействию приборов.

Также при облучении дафний оценивали возможную роль электромагнитных

б

полей (ЭМП), генерируемых прибором СДМ-01 в радиочастотном диапазоне. Для этого использовали рачков, помещенных под облучатель, но изолированных от действия света тонкой металлической пластиной. Таким образом, рачки во время облучения не подвергались действию света, но могли подвергаться воздействию ЭМП. Интенсивность ЭМП в месте облучения рачков измеряли в диапазоне частот (0,02-20 кГц) прибором «Микротеслометр Г79», откалиброванным в единицах магнитной индукции поля (Тл).

Для выявления отдаленных последствий облучения использовали опыты на поколениях дафний. Для этого исследовали не только облученное родительское поколение (Р), но и три последующих поколения (Fi - F3), облучение которых не проводилось. Наблюдения за каждым поколением продолжались в режиме хронического опыта до 21 суток. Исследовали плодовитость, качество потомства, а также линейные размеры тела дафний во всех поколениях.

Исследовали действие предварительного облучения на жизненные функции рачков, находящихся в растворах потенциально токсичных веществ. Облучение проводили при помощи красной светодиодной матрицы (интенсивность облучения 0,91 мВт/см2, время экспозиции - 60 с и 300 с), после чего рачков помещали в опытные стаканы с бихроматом калия (0,3 и 0,5 мг Сг/л) или этилового спирта (0,02, 0,2 и 2 мг/л). Смена растворов токсикантов производилась через день.

Полученные данные позволили провести анализ сезонных изменений плодовитости рачков в лабораторной культуре. Всего было проведено 28 серий экспериментов.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Плодовитость Daphnia magna в лабораторной культуре в зависимости от сезона и внешних условий

При подготовке культуры к исследованиям и в процессе проведения экспериментов на протяжении 2011-2013 гг. в разные сезоны года было проведено 28 серий экспериментов по исследованию плодовитости необлученных дафний. Суммарная плодовитость в пересчете на одну самку в разных сериях варьировала от 30 до 74 особей. Средняя суммарная плодовитость составила 44±7 особей на одну самку. Увеличение суммарной плодовитости наблюдалось в феврале-марте и декабре, тогда как в летне-осенний период (июнь-сентябрь) и в январе наблюдалась депрессия размножения (рис. 1). Сезонные изменения плодовитости дафний описаны в литературе (Исакова, 1980, Исакова, Юклеевских, 1998, Мисейко и др, 2001). Причиной изменения интегральных функций организма могут служить изменения условий среды обитания, таких как температура, атмосферное давление, длина светового дня и др. Для выявления факторов, влияющих на плодовитость дафний, была проанализирована связь между плодовитостью и температурой, а также плодовитостью и атмосферным давлением.

зависимости от даты рождения ♦ - 2011г; ■ - 2012г, А - 2013 г

Уравнение линии тренда для суммарной плодовитости дафний в 2011 г. (_____)

у = -6Е-08х4 + 0,01х3 - 590,45х + 2Е+07х - 2Е+11

Уравнение линии тренда для суммарной плодовитости дафний в 2012 г. (_)

у = -5Е-08х4 + 0,01х3 - 479,09х + 1Е+07х - 1Е+11

Уравнение линии тренда для суммарной плодовитости дафний в 2013 г.

у = 9Е-06х3 - 1,09х* + 45311х - 6Е+08

Коэффициенты ранговой корреляции Спирмена между этими показателями по абсолютной величине не превышали критических значений для соответствующей выборки (табл. 1). Таким образом, изменение температуры в пределах 18-24,5 0 С и давления в пределах 725-768 мм рт. ст. не оказывает влияния на плодовитость дафний. В лаборатории рачков выращивали в климатостате с фиксируемой длиной светового дня (12 часов). Однако помимо излучения ламп климатостата, дафнии подвергались воздействию фонового освещения, меняющегося в течение года. Несмотря на известную регуляторную роль света, не было выявлено статистически значимой зависимости между плодовитостью и длиной светового дня. Согласно нашим данным, существует статистически значимая корреляция (р < 0,05) между плодовитостью дафний и плотностью потока солнечного излучения, определенной в диапазоне радиоволн (10-см), и меняющейся в течение года за счет изменений солнечной активности и параметров атмосферы (Moon, 1940). Информация о суточной динамике интенсивности солнечного излучения была взята из открытой базы данных (http://www.moveinfo.ru). Известно, что по потоку энергии, измеренному

в диапазоне радиоволн, можно судить об интенсивности электромагнитного излучения Солнца во всем спектре, в том числе и в видимой области.

Таблица 1. Значения коэффициентов ранговой корреляции Спирмена между показателями плодовитости дафний и некоторыми показателями условий среды

Контролируемый фактор Суммарная плодовитость дафний Общая плодовитость дафний

Температура на момент постановки опыта 0,25 0,31

Средняя температура в течение всего эксперимента 0,16 0,09

Атмосферное давление на момент постановки эксперимента 0,31 0,33

Среднее атмосферное давление за время проведения эксперимента -0,14 -0,12

Средняя длина светового дня за все время эксперимента 0,09 0,15

Изменение продолжительности светового дня 0,09 0,02

Плотность потока солнечного излучения в день постановки эксперимента -0,38* -0,46*

Средняя плотность потока солнечного излучения за первые 7 суток -0,43* -0,44*

* отмечены коэффициенты корреляция, значимые по уровню 0,05

Таким образом, несмотря на длительное культивирование дафний в стандартизованных лабораторных условиях, при постоянном освещении, составе воды, температуре и количестве корма, у рачков проявляются сезонные изменения плодовитости, которые необходимо учитывать при планировании и постановке экспериментов. Сезонные изменения не связаны с температурой, атмосферным давлением, длиной светового дня, но, по-видимому, связаны с плотностью потока излучения солнца. Полученные данные позволяют объяснить расхождения в результатах экспериментов, проведенных в различные периоды года, фенологическими изменениями внешних условий.

Влияние облучения на плодовитость, размеры тела и качество рожденного потомства Daphnia magna

Для выявления эффектов от однократного облучения, было проведено 28 серий экспериментов по влиянию лазерного (>.=632,8 нм) и светодиодного (Х=466 им и Х=650 нм) излучения на плодовитость, размеры тела и качества рожденного потомства дафний. Для оценки отдаленных последствий облучения на организмы 12 экспериментов были проведены в ряду поколений.

Красное светодиодное облучение

Эксперименты по влиянию красного светодиодного облучения (А.=б50 нм) на ракообразных проводились при различных временах экспозиции (0,1-300 с) и при различных интенсивностях облучения (0,04 и 0,9 мВт/см2). Таким образом, доза

облучения, которой подвергались рачки, составляла 0,004-273 мДж/см2. Поскольку плодовитость дафний в норме меняется в течение года, все оценки плодовитости рачков, подвергнувшихся облучению, проводились относительно контрольных значений необлученных дафний соответствующей выборки. Данные по изменению плодовитости исходно облученных дафний в зависимости от логарифма дозы облучения представлены на рисунке 2.

Уравнение линии тренда зависимости плодовитости облученных дафний от логарифма дозы облучения при интенсивности 0,04 мВт/см2: у = 3,2х2+12,8х+102,1

Уравнение линии тренда зависимости плодовитости облученных дафний от логарифма дозы облучения при интенсивности 0,91 мВт/см2: у = 3,26х2-2,39х+112,7

Низкие дозы облучения (0,004 мДж/см2 и 0,04 мДж/см2) вызывали угнетение плодовитости облученных дафний, тогда как увеличение дозы вызывало стимуляцию плодовитости. Одна и та же доза облучения может быть получена при разных сочетаниях времени и интенсивности облучения, что может приводить к различным биологическим эффектам. Вероятно, при низких дозах облучения более значимым фактором оказывается интенсивность облучения, нежели время экспозиции. При анализе эффектов от облучения близких доз (0,04 и 0,091 мДж/см2), замечено, что увеличение интенсивности облучения приводит к стимуляции плодовитости по сравнению со сходными дозами, но с меньшей интенсивностью. При больших дозах -1,2 и 0,91 мДж/см2 существенной разницы в действии облучения с различной интенсивностью не выявляется. Действие однократного облучения на плодовитость

дафний может прослеживаться вплоть до четвертого поколения, при этом дозовая зависимость проявляется во втором поколении, тогда как в первом и третьем она статистически недостоверна. Выраженность влияния облучения в ряду поколений зависит, по-видимому, от дозы облучения. Так, при низких дозах, вслед за угнетением плодовитости исходно облученных дафний, наблюдается стимулирующий эффект, достигающий максимума во втором поколении. Средние дозы облучения оказывают заметный стимулирующий эффект на облученное поколение, сменяющийся затем спадом плодовитости. Высокие дозы облучения оказывают стимулирующий эффект во всех поколениях, наибольшая стимуляция наблюдается в исходно облученном и втором поколении.

Облучение оказало влияние не только на численность потомства, но и на его качество. При всех исследуемых дозах после облучения наблюдалось рождение аномальной и/или быстро погибающей молоди (рис. 3).

Рисунок 3. Аномальные особи, родившиеся после однократного облучения красным некогерентным светом. А - нормальная особь, Б, В, Г, Д - особи с патологиями плавательных антенн и хвостовой иглы, Е - погибший аномальный эмбрион в сброшенном карапаксе

Распространенным видом аномалий было изменение строения плавательных антенн - изменение числа члеников, редукция одной из ветвей. Дафнии с наблюдаемыми патологиями были не жизнеспособны и погибали в течение 1-3 суток после рождения. Самая часто встречающаяся аномалия - недоразвитость, или полная редукция щетинок на антеннах. Такие особи, как правило, были рождены

недоразвитыми, их стадия развития соответствовала стадии выхода из второй яйцевой оболочки или стадии отделения хвостовой иглы от карапакса. Через несколько линек восстанавливалось нормальное строение антенн и рачки могли давать потомство. Подобные нарушения встречались не только у молоди, рожденной от облученных особей, но и в последующих поколениях, воздействия на которых не проводили. В диапазоне доз 0,004-273 мДж/см2 не было выявлено зависимости между дозой облучения и числом аномалий. В большинстве случаев доля аномального потомства не превышала 2%. Следует отметить, что ни в одной контрольной серии экспериментов аномальных и быстро погибающих особей не встречалось.

Облучение оказывало статистически значимое (р < 0,05) стимулирующее влияние на размеры дафний, зависящее от дозы облучения. Зависимость размеров тела дафний от дозы облучения можно разделить на несколько диапазонов (рис. 4).

Рисунок 4. Зависимость размеров тела дафний на 21 сутки от логарифма дозы облучения красным некогерентным светом

■ - при интенсивности 0,04 мВт/см2, ♦ - при интенсивности 0,91 мВт/см2 Уравнение линии тренда для зависимости размеров тела от логарифма дозы облучения при интенсивности 0,04 мВт/см2: у = 0,41х3 + 0,58х2 - 0,58х + 100,44

Уравнение линии тренда для зависимости размеров тела от логарифма дозы облучения при интенсивности 0,91 мВт/см2: у = 0,48х3 - 0,96х2 - 0,47х + 102,83

Обобщенная линия тренда для зависимости размеров тела от логарифма дозы облучения (пунктирная линия) у = 0,09х + 0,16х3 - 0,73х2 - 0,21 х + 102,5

Первый диапазон характеризуется увеличением размеров тела при увеличение дозы облучения. В следующем диапазоне наблюдается небольшое снижение размеров тела, которые, однако, оказывались выше контрольных значений. При дальнейшем

повышении дозы облучения вновь отмечалось увеличение размеров тела дафний, которое наступало при максимальной из исследованных доз - 273 мДж/см2.

Изменения размеров тела, вызванные облучением, наблюдались не только у облученных дафний, но и у их потомков до четвертого поколения, ослабевая от поколения к поколению. Так, в первом поколении, в целом наблюдалась стимуляция размеров тела, по отношению к контролю, ко второму поколению размеры тела были практически на уровне контрольных, а начиная с третьего поколения наблюдалось небольшое угнетение размеров тела дафний.

Синее светодиодное облучение

Помимо исследования действия красного света, были проведены эксперименты по влиянию некогерентного синего света (Х=466 нм) на плодовитость, качество потомства и размеры дафний. В целом, действие синего света на интегральные показатели дафний оказалось аналогичным действию красного облучения. Выявлено, что облучение в синей области спектра в диапазоне доз 0,006 - 43,8 мДж/см2 способно оказывать влияние на плодовитость и размеры тела облученных дафний. Наибольшая стимуляция как размеров тела, так и плодовитости облученных дафний наблюдалась при дозе 0,73 мДж/см2. Максимальная из исследованных доз вызывала снижение плодовитости по сравнению с контрольными значениями. Облучение синим светом, подобно облучению красным светом, приводило к рождению быстро погибающих и аномальных особей, доля которых составляла меньше 1 %.

Лазерное облучение

Эксперименты по влиянию лазерного облучения (Х=650 нм) проводились на четырех последовательных поколениях дафний, с диапазоном доз 1,7 - 1300 мДж/см2. При всех исследованных дозах в родительском поколении наблюдалось угнетение плодовитости по сравнению с контрольными значениями (табл. 2).

Таблица 2. Плодовитость дафний (% от контроля) в ряду поколений после облучения родительских особей (Р) гелий-неоновым лазером

Доза. мДж/см2 Поколения 1,7 10 17 20 100 130 200 1300

Р 66,8* 86,5 79,9 82,3 74,2 82,3* 92,5 82,72*

и, 148,6* 138,8* 116,4 123,1* 127,8 111,2 128,1 144,3*

168,8* 83,4 107,5 92,8 132,8* 91,9 82,8 84,8

Из 98,0 99,9 94,9 133,1 87,4 102,6 123,5* 106,1

Здесь и далее * обозначены статистически достоверные отличия от контроля (Ч-критерий Стьюдента).

В первом поколении, напротив, наблюдалась стимуляция плодовитости. Во втором поколении на фоне общего угнетения плодовитости наблюдаются пики стимуляции при дозах 1,7; 17 и 100 мДж/см2. В третьем поколении стимуляция наблюдается преимущественно при больших дозах 130-1300 мДж/см2.

После облучения лазером среди рожденной молоди также наблюдались быстро погибающие и аномальные особи. Аномалии в потомстве дафний, рожденных после облучения лазером, были аналогичны аномалиям рачков, появившихся после облучения светодиодной матрицей с разной длиной волны. Такие особи также имели недоразвитые щетинки на антеннах, но, помимо этого, характерной для лазерного облучения аномалией развития рачков была спирально закрученная одна из антенн (рис. 5). Вторая антенна, при этом, имела нормальное строение. Особи с такими аномалиями могли давать плодовитое потомство без аномалий.

Рисунок 5. Аномальные особи, родившиеся после однократного облучения красным когерентным светом. А - нормальная особь, Б, В - особи с патологиями плавательных антенн

Линейные размеры дафний после облучения лазером изменялись сходным с плодовитостью образом (табл. 3).

Таблица 3. Линейные размеры тела дафний (в % от контроля) в ряду поколений после облучения родительских особей (Р) гелий-неоновым лазером

Доза, мДж/см2 Поколении 1,7 10 17 20 100 130 200 1300

Р 99,5 99,0 100,5 97,2 96,6 98,2 98,0 100,3

и, 103,5* 103,8* 103,3* 102,0 103,2* 102,0* 102,6* 103,6*

97,2* 99,7 96,9* 110,1* 100,4 103,6 101,4 107,2*

Р3 103,5 97,1* 101,7 105,8* 103,4 103,6* 101,5 103,9*

После небольшого угнетения в родительском поколении, наблюдается стимуляция в первом поколении, после которого во втором поколении следует снижение размеров тела при низких (1,7-17 мДж/см2) и стимуляция при высоких (201300 мДж/см2) дозах. В третьем поколении при всех дозах, кроме 10 мДж/см2 наблюдается увеличение линейных размеров тела.

Таким образом, однократное облучение как лазером, так и светодиодными источником с разными длинами волн способно оказывать значимое влияние на интегральные показатели функций организма, в частности, на плодовитость, размеры тела и качество рожденной молоди. Наблюдается дозозависимый эффект в проявлении действия облучения светодиодным источником - стимуляции или угнетения функций организма. При этом не зависимо от когерентности и длины волны, наблюдается рождение аномальной и быстро погибающей молоди. Возможно, облучение приводит к интенсификации обменных процессов и репликации генетического материала, что может приводить к накоплению ошибок в ДНК и РНК и, в конечном счете, к появлению аномалий среди рожденной молоди.

Эффект действия потенциально токсичных веществ на облученных рачков

Для оценки влияния облучения на способность организма переносить дополнительные функциональные нагрузки, исследовали эффект потенциально-токсичных химических веществ в концентрациях, превышающих предельно допустимые, на рачков, предварительно облученных с помощью красной светодиодной матрицей. Такие воздействия могут выступать в роли дополнительной физиологической нагрузки на организм, выявляя защитное или усиливающее действия предварительного облучения. Облученные рачки были подвергнуты воздействию бихромата калия и этилового спирта. В качестве контроля использовали рачков, находящихся в чистой воде и не подвергавшихся действию облучения.

Бихромат калия использовали в концентрациях 0,3 и 0,5 мг Сг/л, доза облучения при этом составляла 273 мДж/см2. Бихромат в исследованных концентрациях снижал как среднюю продолжительность жизни, так и суммарную плодовитость дафний по отношению к контролю (табл.4). Действие предварительного облучения на особей, находящихся в растворе бихромата калия в концентрации 0,3 мг Сг/л, приводило к статистически значимому снижению средней продолжительности жизни, увеличивая при этом плодовитость, по сравнению с необлученными дафниями, находящимися в растворе токсиканта той же концентрации. Примечательно, что стимуляция плодовитости при совместном действии токсиканта и облучения, несмотря на сниженную продолжительность жизни, была настолько сильной, что оказалась выше контрольных значений плодовитости и более чем в 2 раза превосходила плодовитость дафний, подвергшихся только действию токсиканта. Вероятно, под действием бихромата калия в низких концентрациях, предварительное облучение стимулировало репродуктивную функцию дафний.

Таблица 4. Влияние предварительного облучения на проявление токсического эффекта бихромата калия

Воздействие Выживаемость Плодовитость

% от Контроля td % от Контроля td

Бихромат калия 0,3 мг Сг /л 50,7 9,98* 60,45 2,61*

Облучение 273 мДж/см2 + бихромат калия 0,3 мг Сг /л 46,19 10,59* 128,70 2,56*

Бихромат калия 0,5 мг Сг /л 30,62 17,09* 46,10 0,55

Облучение 273 мДж/см^ + бихромат калия 0,5 мг Сг /л 39,04 22,37* 49,45 1,94

Действие бихромата калия в концентрации 0,5 мг Cr/л на среднюю продолжительность жизни статистически значимо ослаблялось предварительным облучением, при этом наблюдалось увеличение суммарной плодовитости, по сравнению с одиночным действием токсиканта. Под влиянием бихромата калия гибель дафний начиналась уже на 2 сутки эксперимента, а у предварительно облученных рачков гибель начиналась только на 7 сутки наблюдений. Рачки, как облученные, так и необлученные, при воздействии бихромата калия в концентрации 0,5 мг Сг/л погибали к 11 суткам наблюдений.

Этиловый спирт исследовали в концентрациях 0,02, 0,2 и 2 мг/л. Доза облучения при этом составляла 54,6 и 273 мДж/см2, что соответствовало временам экспозициям 60 и 300 с. Предварительное облучение дафний оказывало частичное протекторное действие, восстанавливая морфо-функциональные параметры рачков, измененные под действие токсиканта.

Установлено, что этиловый спирт в самой малой из исследованных концентраций 0,02 мг/л не оказывал влияния на выживаемость, но увеличивал суммарную плодовитость дафний почти в два раза (табл. 5). Предварительное облучение также оказывало стимулирующий эффект, однако плодовитость предварительно облученных дафний оказывалась ниже плодовитости дафний в присутствии токсиканта, но без облучения.

Известно, что негативный эффект от действия токсикантов может проявляться как в стимуляции, так и угнетении различных функций организма (Dave, 1984, Wong, 1987). Таким образом, снижение плодовитости дафний после предварительного облучения, может расцениваться как протекторное действие красного света, проявляющееся при действии токсиканта. Наибольший эффект в снижении плодовитости оказало облучение со временем экспозиции 60 с, при котором наблюдалось снижение плодовитости на 18%, тогда как при времени экспозиции 300 с снижение плодовитости составляло 10,8%.

Таблица 5. Влияние предварительного облучения на проявление токсического эффекта этилового спирта в концентрации 0,02 мг/л

Воздействие Выживаемость Плодовитость

% от Контроля % от Контроля

Этиловый спирт 0,02 мг/л 100 - 192,2 5,18*

Облучение 54,6 мДж/см^ + этиловый спирт 0,02 мг/л 100 _ 157,2 4,81*

Облучение 273 мДж/см2 + этиловый спирт 0,02 мг/л 100 _ 171,4 3,81*

Действие спирта в концентрации 0,2 мг/л на облученных рачков было исследовано дважды в разные сезоны года (февраль и май). Спирт в исследованной концентрации снижал среднюю продолжительность жизни и суммарную плодовитость дафний (табл. 6). При этом наблюдались сезонные закономерности действия спирта на рачков. Так, в феврале снижение плодовитости было незначительным и недостоверным, тогда как в мае спирт оказывал больший эффект, что может свидетельствовать о сезонном изменении токсикорезистентности, известном для дафний (Исакова, Юклеевских, 1998).

Таблица 6. Влияние предварительного облучения на проявление токсического эффекта этилового спирта в концентрации 0,2 мг/л

Воздействие Выживаемость Плодовитость

% от контроля % от контроля 1с1

Этиловый спирт 0,2 мг/л (февраль) 96,25 1,21 90,87 Ы

Облучение 54,6 мДж/см"® + этиловый спирт 0,2 мг/л (февраль) 90,73 1,85 45,41 1,85

Этиловый спирт 0,2 мг/л (май) 88,74 2,47* 79,64 2,47*

Облучение 273 мДж/см^ + этиловый спирт 0,2 мг/л (май) 86,19 2,13 55,42 2,5*

Предварительное облучение дафний незначительно снижало продолжительность жизни. Также наблюдалось значительное снижение суммарной плодовитости дафний. В феврале предварительное облучение со временем экспозиции 60 с снижало плодовитость на 49% (К1 3,01), а выживаемость на 6% (1(1 1,01) по сравнению с необлученными дафниями, находящимися в растворе спирта. В мае снижение плодовитости и выживаемости после предварительного облучения со временем экспозиции 300 с было немного меньше - на 30,4% (К11,17) и 2,7% (1(10,34), соответственно. Таким образом, при действии спирта в концентрации 0,2 мг/л предварительное облучение рачков усиливало деструктивное действие токсиканта, что сказывалось преимущественно на плодовитости дафний при облучении с меньшей экспозицией.

Были проведены две серии экспериментов по оценке действия спирта в концентрации 2 мг/л на рачков, предварительно облученных в течение 60 с (табл. 7).

В обоих проведенных испытаниях спирт оказывал влияние на среднюю продолжительность жизни дафний и суммарную плодовитость. При этом эксперименты, поставленные с разницей в месяц, показывали различный эффект от действия спирта на плодовитость дафний - в июне наблюдалось полное угнетение плодовитости, тогда как в июле дафнии не потеряли способности к размножению. Эффект этилового спирта на продолжительность жизни практически не различался. Предварительное облучение дафний со временем экспозиции 60 с достоверно увеличивало среднюю продолжительность жизни и суммарную плодовитость.

Действие предварительного облучения оказало больший эффект в июне, когда под действием облучения плодовитость увеличилась до уровня, статистически не отличающегося от контрольного значения, а выживаемость увеличилась более чем в два раза по сравнению с действием токсиканта без облучения.

Таблица 7. Влияние предварительного облучения на проявление токсического эффекта этилового спирта в концентрации 2 мг/л

Выживаемость Плодовитость

Воздействие % от контроля 1(1 °/о ОТ контроля

Этиловый спирт 2 мг/л (июнь) 43,10 8,54* 0 4,08*

Облучение 54,6 мДж/см2 + этиловый спирт 2 мг/л (июнь) 87,86 2,18* 71,43 1

Этиловый спирт 2 мг/л (июль) 44,82 8,15* 29,83 2,26*

Облучение 54,6 мДж/см2 + этиловый спирт 2 мг/л (июль) 55,51 13,52* 40,78 3,53*

Таким образом, предварительное облучение способно оказывать протекторное действие на дафний при действии веществ различной химической природы в дозах, превышающих ПДК. При этом эффект от действия облучения зависит от концентрации токсиканта и сезонной токсикорезистентности дафний.

Действие светодиодного облучателя СДМ-01 на рачков при экранировании светового потока

При работе светоизлучающих приборов, в частности светодиодной матрицы СДМ-01, в процессе экспозиции возникают электромагнитные поля (ЭМП), генерируемые самим прибором, которые могут оказать влияние на облучаемый организм. Величина магнитной индукции поля, генерируемого прибором в точке облучения дафний, была измерена в диапазоне частот 0,02-20 кГц и составляла 12 нТл (при фоновом значении полей в лаборатории 30 нТл). Для оценки возможного влияния на биологические объекты таких сопутствующих факторов в процессе диодного облучения было проведено 3 серии экспериментов в контролируемых

условиях, в ходе которых дафний изолировали от действия красного света тонкой металлической пластиной, практически не пропускающей излучение в видимой области спектра. Помимо этого, был проведен эксперимент по экранированию видимого облучения синий светодиодной матрицы. В этих условиях возможное влияние могут оказывать остаточное рассеянное световое излучение и электромагнитное поле от работающего прибора. Оценивали влияние таких экспозиций на плодовитость, качество потомства и линейные размеры тела дафний.

Во всех сериях наблюдалось статистически значимое снижение суммарной плодовитости дафний на 13-25% у особей, подвергшихся воздействию прибора без прямого облучения светом. При этом во всех экспериментах встречались быстро погибающие и аномальные особи, подобные тем, что наблюдались после светодиодного облучения. Под влиянием ЭМП статистически значимо снижались также и линейные размеры тела дафний (на 2 - 3,6%). При сравнении данных по плодовитости и линейным размерам тела дафний из экранированных и неэкранированных экспозиций выявлена статистически значимая стимуляция как плодовитости, так и линейных размеров тела особей, подвергавшихся действию неэкранированного облучения. Доля аномалий в обоих случаях облучения составляла меньше 1 %.

Поскольку при экспозиции с экранированием светового потока проявился негативный эффект, есть основания предполагать, что в случае неэкранированного облучения, как лазерного, так и светодиодного, на организм действует два фактора -негативное влияние ЭМП от прибора, снижающее плодовитость и размеры тела и вызывающее рождение аномального и быстро погибающего потомства, и позитивное влияние основного светового потока. При этом результирующий эффект зависит от дозы облучения. При низких дозах больший вклад в эффект облучения оказывает, по-видимому, влияние ЭМП воздействия, приводящее к снижению плодовитости дафний, которое не может быть скомпенсировано стимулирующим влиянием светового излучения. При увеличении дозы облучения наблюдалась стимуляция функций организма - увеличение плодовитости и линейных размеров тела.

Таким образом, при облучении нельзя исключать возможность негативных эффектов сопутствующих воздействий, в том числе и действия ЭМП, создаваемыми прибором, деструктивное влияние которых способно частично нивелироваться световым потоком.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные результаты дают основание заключить, что плодовитость дафний в лабораторной культуре, несмотря на стандартизацию таких факторов как температура, длина светового дня, качество воды и количество корма, значительно варьирует в течение года. Были выявлены пики размножения, приходящиеся на февраль-март и декабрь. В летне-осенний период (июнь-сентябрь) и в январе наблюдалась депрессия размножения. Пики изменения плодовитости немного смещались год от года, сохраняя при этом свою цикличность. По-видимому, цикличность связана с солнечной активностью, меняющейся в течение года и влияющей на физиологическое состояние дафний. Такая сезонность может влиять на воспроизводимость результатов экспериментальных исследований и должна учитываться при использовании биологических объектов в биотестировании.

В ходе исследований влияния низкоинтенсивного светодиодного и лазерного облучения с различными длинам волн было выявлено, что однократное облучение может оказывать влияние на интегральные функции организма как в непосредственно облученных выборках, так и в их потомстве, не подвергавшемуся действию облучения, вплоть до четвертого поколения.

Эффект от облучения некогерентными светом на плодовитость и размеры тела дафний, выражающийся как в стимуляции, так и в угнетении функций организма, зависел от дозы облучения. Облучение красным светом при сходных дозах оказывало больший эффект на дафний, чем облучение синим светом.

Когерентное лазерное излучение оказывало негативное действие на плодовитость и размеры тела непосредственно облученных особей, стимулируя эти функции в последующих поколениях.

При всех исследованных типах световых воздействий наблюдалось рождение аномальной и быстро погибающей молоди, также было зафиксировано появление абортивных яиц. Вероятно, облучение оказывает гонадотропное и эмбриотропное действие на дафний.

Проведенные токсикологические исследования показали, что предварительное облучение некогерентным красным светом способно оказывать, в целом, некоторое протекторное действие на организмы, находящиеся в условиях хронического токсического стресса.

Возможно, что сопутствующие факторы, возникающие при облучении диодным источником, в частности - электромагнитные поля, генерируемые прибором, оказывают побочное негативное действие на дафний, что проявляется в снижении плодовитости и появлении аномального потомства исследуемых дафний при экранировании видимого светового потока. Красный некогерентный свет может оказывать частичное компенсаторное действие и стимулировать плодовитость облученных особей. При этом действие красного света не способно предотвратить появление аномальной молоди.

выводы

1. Плодовитость дафний в лабораторной культуре меняется в течение года от 30 до 75 особей. Выявлена статистически значимая обратная корреляция между плодовитостью дафний и плотностью потока солнечного излучения, изменение которого в течение года может объяснять циркарные ритмы жизнедеятельности лабораторных культур. Не установлено связи плодовитости с показаниями температуры, атмосферного давления и продолжительности светового дня. Изменения активности жизнедеятельности рачков в течение года может служить причиной вариабельности эффекта действующих факторов в разных сериях экспериментов.

2. Однократное облучение как когерентным (>.=632,8 нм), так и некогерентным монохромным светом (Х=466, \=650 нм) оказывает влияние на интегральные показатели жизнедеятельности ракообразных, такие как плодовитость, размеры тела и качество рожденного потомства не только у рачков, непосредственно подвергшихся облучению, но также и у последующих поколений, облучение которых не проводилось.

3. Выявлена статистически значимая положительная корреляция плодовитости и линейных размеров тела дафний с дозой облучения некогерентным монохромным красным светом.

4. Облучение когерентным красным светом оказывает угнетающее действие на дафний в облученном поколении и стимулирующее действие в первом поколении.

5. Экспозиция при экранировании светового потока облучения способна угнетать плодовитость и снижать линейные размеры тела дафний, вызывать рождение аномальной и быстро погибающей молоди, что может быть вызвано эффектом сопутствующих факторов облучения, в частности, влиянием радиочастотных электромагнитных полей прибора.

6. Предварительное облучение некогерентным красным светом может оказывать нормализующее действие на плодовитость и выживаемость дафний при хроническом действии токсикантов в концентрациях, превышающих предельно допустимые.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору О.Ф. Филенко за внимательное отношение к работе и чуткое руководство, Е.Ф. Исаковой и Д.М. Гершкович за помощь в работе и ценные советы, проф. В.Н. Баграташвили и В.И. Юсупову за предоставленные для работы приборы. Д.Н. Маторину, оказавшему неоценимую помощь в редактировании текста диссертации. Проф. Ю.С. Григорьеву за предоставленное оборудование для проведения биотестирования.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Мннобрнаукн РФ

Воробьева О.В. Нарушения в потомстве рачков Daphnia magna, облученных диодным источником // Экологические системы и приборы, 2013. № 10. С. 61-67.

Воробьева О.В., Филенко О.Ф., Исакова Е.Ф. Изменения плодовитости лабораторной культуры Daphnia magna II Перспективы науки, 2013. №9.

Конюхов И.В., Воробьева О.В. Определение трофической активности рачков Daphnia magna Straus на флуориметре Mega-25 II Вода: химия и экология, 2013. №12.

Статьи в сборниках материалов научных конференций:

1. Воробьева О. В. Влияние низкоинтенсивного электромагнитного излучения на гидробионтов // Тезисы докладов XVIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2011»,- М.: Макс-Пресс, 2011. С. 101-102.

2. Воробьева О. В. Влияние низкоинтенсивного электромагнитного излучения на гидробионтов при действии физиологической нагрузки II Тезисы докладов XIX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012».- М.: Макс-Пресс, 2012. С. 99.

3. Воробьева О. В. Влияние светодиодного облучения на рачков Daphnia magna II Тезисы докладов XX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2013». -М.: Макс-Пресс, 2013. С. 99.

4. Исакова Е.Ф., Юсупов В.И., Воробьева О.В., Воробьева H.H., Сравнение эффектов слабых воздействий химического и физического факторов на дафний в пожизненных испытаниях // Материалы конференции «Современные проблемы водной токсикологии. К 100-летию со дня рождения профессора Е. А. Веселова». — Петрозаводск: ПетрГУ, 2011 С. 32-34.

5. Воробьева О.В. Отдаленные последствия кратковременного низкоинтенсивного облучения рачков Daphnia magna Straus II Материалы XVI международной студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» - Новосибирск: Редакционно-издательский центр НГУ, 2011. С. 249-250.

6. Воробьева О.В., Исакова Е.Ф, Филенко О.Ф., Гершкович Д.М., Юсупов В.И., Воробьева H.H., Баграташвили В.Н. Низкоинтенсивное светодиодное излучение способно вызывать изменения у потомства дафний // Сборник материалов V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине». Троицк,

2012. Т.1 С. 226-228.

7. Воробьева О.В. влияние прибора, генерирующего светодиодное излучение, на водных рачков Daphnia magna II Материалы международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред». М.: Бином,

2013. С.40.

Подписано в печать: 05.11.2013 Тираж: 100 экз. Заказ № 1009 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Воробьева, Ольга Владимировна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи 04201364916

Воробьева Ольга Владимировна

ВЛИЯНИЕ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАКООБРАЗНЫХ (НА ПРИМЕРЕ DAPHNIA MAGNA STRAUS)

Специальность:

03.02.08 - экология (биология)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н., проф. Филенко О.Ф. Научный консультант к. ф.-м. н. Юсупов В.И.

Москва-2013

Оглавление

Введение...............................................................................................................4

Глава 1. Обзор литературы.................................................................................7

1.1. Биологические особенности Daphnia magna Straus..............................7

1.2. Оптические особенности тканей организма........................................10

1.3. Действие электромагнитных полей на организмы..............................11

1.4. Влияние лазерного и светодиодного излучения на биообъекты.......14

14.1. Применение лазерного и светодиодного облучения в медицине. 14 1.4.2 Действие лазерного и светодиодного облучения на биообъекты. 18

1.5. Сравнение эффектов лазерного и светодиодного излучения.............20

1.6. Предполагаемые механизмы действия облучения на биообъекты.... 21 Глава 2. Объект и методы исследования........................................................28

2.1. Содержание лабораторных культур Daphnia magna...........................28

2.2. Приготовление кормовой культуры Chlorella sp.................................29

2.3. Проведение экспериментов....................................................................30

Глава 3. Результаты и обсуждение..................................................................34

3.1. Плодовитость Daphnia magna в лабораторной культуре в зависимости от сезона и некоторых внешних условий..............................34

3.2. Влияние облучения на плодовитость, размеры тела и качество рожденного потомства Daphnia magna........................................................39

3.2.1. Светодиодное облучение красным светом.....................................39

3.2.3. Лазерное облучение..........................................................................48

3.3. Эффект действия потенциально токсичных веществ на облученных рачков..............................................................................................................52

3.4. Действие светодиодного облучателя СДМ-01 на рачков при экранировании светового потока.................................................................58

Заключение........................................................................................................61

Выводы...............................................................................................................63

Список используемых сокращений.................................................................65

Список литературы...........................................................................................66

Приложение.......................................................................................................87

Введение

Биотестирование, являясь методом контроля химического

загрязнения, одновременно может найти применение при оценке

вредоносного действия физических факторов, в частности -

электромагнитного излучения. Одними из возможных источников такого

излучения являются лазеры и светоизлучающие диоды. Достижения

лазерных и светодиодных технологий все чаще применяются в

медицинской практике. Высокоэнергетические лазерные воздействия

используются в качестве световых скальпелей, низкоэнергетические, в

сочетании с фотосенсибилизаторами - применяют для разрушения раковых

опухолей (Владимиров, 1999, Генина 2012). Маломощные излучения

лазеров используют при лечении заболеваний опорно-двигательного

аппарата, в стоматологии, пульмонологии, кардиологии (Чудновский и др,

2002). Поскольку лазерный луч теряет свойство когерентности при

прохождении через ткани (Кару и др, 1982, Klebanov et al., 2005),

решающими параметрами для облучения оказываются спектральная

плотность и длина волны (Чудновский и др, 2002). Поэтому наряду с

лазерным воздействием широкое применение находит и некогерентное

облучение с использованием светодиодных приборов. Наибольшее

применение получили светодиодные и лазерные источники с излучением в

красной и инфракрасной частях спектра, облучение которыми может

оказывать позитивное влияние при определенных дозах (Plavskii et all,

2008, Tuner et all, 1999, Karu, 2007, Бриль и др, 2008). Исследования по

влиянию лазерного и светодиодного облучения проводилось на разных

уровнях организации живого. Исследованы действия облучения на вирусы

(Леонова и др., 1997), клетки крови, эмбрионы (Аверьянова и др., 1991,

Шкуратов и др., 1997), целые организмы (Фельдман, Крутик, 2006) разного

таксономического положения, относящиеся к различным трофическим

4

уровням. Несмотря на большое количество работ, описывающих положительные эффекты от облучения красным и инфракрасным светом, появляется все больше публикаций об отсутствии положительного результата, вплоть до развития побочных эффектов (Борисенко, 1997, Кару, 2000). В частности показано, что действие НИЛИ (низко интенсивного лазерного излучения) зависит от стадии развития эмбриона рыб (Uzdensky, 2001). Облучение гелий-неоновым лазером увеличивало продуктивность при облучении икры на стадии гаструляции и эмбриональной моторики и негативно влияло при облучении на стадии органогенеза. По данным ряда авторов (Кару, 2000, Ding, 1998), применение неоптимальных параметров воздействия может не только не привести к желаемому позитивному эффекту, но и вызвать угнетение жизненно важных функций организма. В связи с этим, актуальной задачей является исследование закономерностей биологических эффектов низкоинтенсивного облучения, включая его отдаленные последствия для организмов. Одним из возможных путей ее решения является проведение опытов на тест-объектах с коротким жизненным циклом, в частности, на рачках Daphnia magna, которые используются в сертифицированных токсикологических испытаниях.

В связи с этим целью работы послужило исследование влияния лазерного и светодиодного облучения на морфо-функциональные показатели ракообразных в ряду поколений на примере пресноводного рачка Daphnia magna Straus. В ходе ее реализации были поставлены следующие задачи:

1. Предварительно определить суммарную плодовитость дафний в лабораторной культуре в связи с сезоном года и такими условиями окружающей среды как температура, атмосферное давление, длина

светового дня, а также плотность потока солнечного излучения в 10-см диапазоне длин волн;

2. Исследовать влияние низкоинтенсивного лазерного и светодиодного облучения на плодовитость, линейные размеры тела и качество потомства рачков в ряду поколений;

3. Исследовать эффект совместного действия предварительного светодиодного облучения и хронического действия потенциально токсичных веществ на рачков в хронических испытаниях;

4. Оценить возможную роль сопутствующих влияний светодиодного источника, в частности, электромагнитных полей, генерируемых прибором, в эффектах от облучения дафний.

Глава 1. Обзор литературы 1.1. Биологические особенности Daphnia magna Straus

Ракообразные - типичные представители зоопланктона и ключевой компонент цепей питания в водоемах (Константинов, 1986). Ветвистоусые ракообразные широко применяются в водной токсикологии в качестве тест-объектов. Наиболее часто используются виды сем. Daphnidae (Daphnia magna Straus, 1820, D. longispina Müller, 1776, D. carinata King, 1852, D.pulex L., 1758, Leydig, 1860, Simocephalus vetulus Müller, 1776, Ceriodaphnia affinis Lilljeborg, 1900), из сем. Moinidae (Moina macrocopa Straus, 1820) и некоторые другие.

Впервые дафний в качестве индикатора токсичности воды предложил использовать Науманн (Naumann, 1934). В 1944 Андерсон разработал методику краткосрочных (24-96 часов) экспериментов (Anderson, 1944). Критерии токсичности и основы методики использования гидробионтов разработал Н.С. Строганов (Строганов, Колосова, 1971).

В настоящее время дафнии как обязательные тест-организмы внесены в методики определения предельно допустимых концентраций токсических веществ (Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний ФР 1.1.39.2007-03-222). Характерными чертами дафний, определяющими их широкое применение, являются легкость культивирования в лабораторных условиях, круглогодичное размножение, высокая чувствительность ко многим токсикантам, широкая распространенность и короткий жизненный цикл.

Рачки вида D. magna повсеместно распространены на территории России, обитают в стоячих и слабопроточных водоемах (Смирнов, 1975), переносят осолонение до 6 %о, являются типичными бетамезосапробами.

Оптимальное содержание кислорода для дафнии составляет 7-8 мг/л, хотя они способны переносить снижение концентрации 02 до 2 мг/л. Оптимальные значения рН составляют 7,0 - 8,0, однако временные изменения рН в пределах 5,8 - 9,0 не подавляют жизнедеятельность дафнии.

Половозрелые самки дафний достигают длины 6 мм, самцы 2 мм. При температуре 20±2°С созревание наступает на 5-7 сутки от рождения. Эмбриональное развитие обычно длится 3-4 суток. При партеногенетическом размножении вымет молоди происходит каждые 2-3 дня. В лабораторных условиях самцы появляются при недостаточном освещении, снижении температуры, концентрации растворенного кислорода, голодании (Методические указания по установлению эколого -рыбохозяйственных нормативов (ПДК и ОБУВ) загрязняющих веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение, 1998).

Снаружи тело дафнии покрыто прозрачным хитиновым панцирем,

створки которого на вентральной стороне образуют щель. Край панциря с

дорзальной стороны вытянут в шип. Тело нечетко сегментировано на

головной, торакальный (грудной) и абдоминальный (брюшной) отделы.

Впереди под головным отделом находится пара антеннул с осязательными

щетинками. Антеннулы более развиты у самцов, нежели у самок (рис. 1).

По бокам головы расположены пара антенн, необходимых для

скачкообразного передвижения рачков в толще воды. В торакальном

отделе имеется 5 пар грудных ножек. Их многочисленные щетинки

образуют «сито», на котором отфильтровываются частицы пищи. Грудные

ножки служат для фильтрации воды, питания и дыхания. Частота

движения торакальных конечностей зависит от внешних факторов, таких

как состав воды, плотность взвеси, температура (МсМасЬоп, 1968).

Абдоминальный отдел тела не имеет конечностей, но снабжен парой

каудальных когтей. На дорзальной стороне торакального отдела

8

расположено сердце. Частота сердечных сокращений дафний также зависит от внешних факторов и является чувствительным параметром для определения токсичности среды (Ingle, et al., 1937, Baylor, 1942, Кулагина, 2011). Большую часть года в природных условиях популяция дафний существует в виде партеногенетических самок. Партеногенетические яйца развиваются с одним делением созревания без редукции числа хромосом (Смпирнов, 1975). Переход к половому размножению происходит при наступлении неблагоприятных условий (Fries, 1964, Buikema, 1968).

Рисунок 1. Строение Daphnia magna Straus: а - самка, б - самец, в -внешний вид эфиппиума. 1 - антенна, 2 - сложный глаз, 3 - антеннула, 4 -грудные ножки, 5 - яичник, 6 - створки панциря, 7 - каудальные когти, 8 -постабдомен, 9 - хвостовые щетинки, 10 - выводковая камера, 11 - сердце, 12 - кишечник, 13 - печеночные выросты (по РД 118-02-90)

Половая система представлена парными гонадами - яичниками у самок и семенниками у самцов, расположенными по обеим сторонам кишечника. Эмбриональное развитие рачков протекает в выводковой

i

и

i о.

камере, расположенной на дорзальной стороне тела. Помимо легкости в культивировании, дафнии имеют еще ряд преимуществ перед другими ракообразными, использующимися в качестве тест-объектов. Из-за крупных размеров за ними удобно вести наблюдения, изучая показатели размножения, так как хорошо заметны патологические отклонения -абортирование яиц, эмбрионов, уродства. Также легко производить измерения размеров тела.

1.2. Оптические особенности тканей организма

Одними из важных оптических свойств тканей организма являются интенсивное рассеивание излучения в видимой и ближней инфракрасной (ИК) области спектра, а также его избирательное поглощение естественными хромофорами, такими как гемоглобин и меланин (Welch, 1992, Muller et al., 1993). Причиной рассеяния и преломления света является пространственная неоднородность структур ткани (наличие клеточных мембран, ядер клеток, органелл). Рассеяние, также как и поглощение, зависит от длины волны излучения. В ультрафиолетовом (УФ) диапазоне поглощение определяется содержанием белка, в инфракрасном (ИК) - содержанием воды. Для большинства тканей в организме рассеяние преобладает над поглощением (Зимняков, Тучин, 2002). Установлено, что коэффициенты оптического отражения тканей являются переменными параметрами и зависят от анатомического строения ткани, пола и возраста обследуемого пациента, а также вида излучения (Григорьянц, Евстигнеев, 2012).

В спектральной области 650 - 1200 нм практически отсутствует поглощение излучения у биообъектов, что является причиной существования так называемого «окна биологической прозрачности» (рис. 2).

water Hb

НЬ02 Melanin

_I_■ ■ J_«_t_ь_

0 1SOO 2000

Рисунок 2. Окно биологической прозрачности - из Huang et al., 2009 1.3. Действие электромагнитных полей на организмы

Электромагнитные поля (ЭМП) являются фоновым компонентом среды обитания организмов, в присутствии которого происходила эволюция органического мира. Живые организмы адаптированы к естественному фону ЭМП. Экранирование природного магнитного поля приводит к нарушению нормального развития организмов. В частности, показано, что «нулевое» магнитного поле снижает адгезивные свойства и жизнеспособность первичных эмбриональных фибробластов мыши в культуре in vitro (Осипенко и др. 2008).

Из-за усиления антропогенного влияния происходит увеличение нагрузки полей на организмы. При этом появляются электромагнитные излучения (ЭМИ) с длинами волн, имеющими искусственное происхождение - например, миллиметрового диапазона (Куклев, 2001).

§2 та

0,1

ГГ

0.01

_ i i "

400 €00 800 1000 1200 1400 160

wavelength {nmj

Спектры интенсивности некоторых техногенных источников могут существенно отличаться от сложившегося естественного ЭМ фона.

Действие ЭМП исследуется на разных объектах. Так, выявлено что переменные магнитные поля с амплитудами, близкими к естественным (10 нТл) угнетает размножение бактерий Е. соИ (Ачкасова, 1984). После обработки монослоя Е.соИ магнитным полем, происходит уменьшение диаметра колоний при общей стимуляции клеточного роста (ВаЬиБЬклпа е1 а1., 2005).

Влияние ЭМП показано, в том числе, на гидробионтах. Показано, что электромагнитное излучение на частоте мобильной связи (1 ГГц) с диапазоном плотности потока энергии (5-50 мкВт/см2) вызывало снижение спонтанной двигательной активности у инфузорий Бри'озШпит атЫ^иит. При этом эффект возникал скачкообразно при достижении определенного времени воздействия и не возрастал при дальнейшем увеличении времени экспозиции. Негативный эффект проявлялся при плотности потока энергии - 5 мкВт/см , что в 2 раза ниже предельно допустимого уровня (Сарапульцева и др, 2009, Сарапульцева, Иголкина, 2011).

Магнитные поля оказывают также влияние на пресноводных

ракообразных. Так, при действии магнитного поля с частотой 500 Гц

наблюдалось снижение выживаемости и замедление созревания дафний

(Крылов, 2007, Крылов, 2008). При действии магнитного поля во время

ювенильного периода у дафний, происходил сбой программы

репродукции, что выражалось в увеличении доли нежизнеспособного

потомства и снижении размеров новорожденных рачков. Проводились

исследования по влиянию низкочастотного магнитного поля на частоту

сердцебиения дафний (Усанов, 2006). При действии магнитными полями с

частотами, близкими к частоте сердцебиения дафнии, существенно

увеличивается ЧСС, что наблюдается и в случае помещения рачков в воду,

12

на которую предварительно подействовали магнитным полем с частотой, близкой к частоте ее сердцебиения. Установлено, что длительное пребывание дафний в магнитном поле с индукцией 25 мТл и частотой 6 Гц не оказывает существенного влияния на выживаемость рачка, однако плодовитость дафний увеличивается в среднем в 2 раза по сравнению с контрольной группой (Усанов, 2008).

Магнитные поля снижают токсическое действие фенола на дафний. Гибель дафний, помещенных в растворе фенола при действии переменного магнитного поля, наступает позднее, чем в растворе фенола, не подвергнутого действию магнитного поля (Усанов и др., 2007, 2008).

Облучение дафний ЭМИ на частоте 42,25 ГГц не вызывало изменения выживаемости рачков, но снижало плодовитость и увеличивало чувствительность к действию токсикантов (Гапочка и др., 2012). При этом чувствительность зависела от стадии онтогенеза. На ранних стадиях чувствительность к действию токсиканта не изменялась при действии предварительного облучения. Предварительное облучение и интоксикация на стадии половозрелости приводило к увеличению плодовитости.

Проводились эксперименты и по влиянию магнитных полей на микроводоросли. Показано, что магнитное поле оказывает стимулирующее действие на Scenedesmus, повышая скорость роста культуры (Усанов и др., 2009).

Электромагнитное излучение крайне высокочастотного (КВЧ) диап