ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА РАЗДЕЛЬНОЕ И СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ РАДИАЦИОННОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

Евсеева, Татьяна Ивановна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА РАЗДЕЛЬНОЕ И СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ РАДИАЦИОННОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
ВАК РФ 03.00.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА РАЗДЕЛЬНОЕ И СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ РАДИАЦИОННОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ"

На правах рукописи

ЕВСЕЕВА Татьяна Ивановна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ НА РАЗДЕЛЬНОЕ И СОВМЕСТНОЕ ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ РАДИАЦИОННОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

03.00.01 - радиобиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Обнинск - 2006

Работа выполнена в Институте биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук

Научный консультант доктор биологических наук, профессор

Герасышн Станислав Алексеевич (ВНИИСХРАЭ, г. Обнинск)

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор,

академик УААН Гудков Игорь Николаевич (Национальный аграрный университет Украины, г. Киев)

доктор биологических наук, профессор Петин Владислав Георгиевич (Медицинский радиологический научный центр РАМН, г. Обнинск)

доктор биологических наук,

ведущий научный сотрудник

Осипов Андреям Николаевич

(Институт общей генетики им. Н.И, Вавилова,

г. Москва)

Ведущая организация: Объединенный институт

ядерных исследований, г Дубна

Защита диссертации состоится 2006 г, в часов на

заседании диссертационного совета Д tf06.068.6l во Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии. Отзывы на автореферат просим отправлять по адресу: 249032, Калужская обл., г. Обнинск, Киевское шоссе, 109 км, ВНИИСХРАЭ, Диссертационный совет. Факс (48439) 6-80-66.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИСХРАЭ. Автореферат разослан Ш^^кЛ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук Шубина О.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Жизнь на Земле возникла и развивалась в условиях постоянного воздействия природных источников радиации. В настоящее время в результате интенсивного развития ядерной энергетики, горнодобывающей и перерабатывающей отраслей промышленности значительно возросло и не уступает (Gesell, Prichard, 1975; Алексахин и др., 1990) по мощности природным процессам влияние техногенной деятельности на увеличение содержания естественных радионуклидов в биосфере. Парадоксально, но именно недостаток данных о биологических эффектах, наблюдаемых в населяющих районы с повышенным естественным радиационным фоном (ПЕРФ) популяциях растений и животных, является наиболее существенным пробелом в наших знаниях (Real et al,, 2004).

Широкий спектр биологических эффектов (от стимуляции развития до угнетения и гибели), обнаруженных (Алексахин и др., 1990; Позолотина, 2003) при изучении природных популяций растений и животных в областях с ПЕРФ, и существенное влияние других экологических факторов (Taulavuori et al., 2005) на уровень наблкщаемых в этих сообществах изменений постепенно привели к осознанию того, что интерпретация имеющихся данных невозможна без решения проблем корректной оценки биологических эффектов малых доз ионизирующих излучений и их модификации факторами нерадиационной природы.

Недостаточный учет возможности возникновения синергического или антагонистического типов реакции биологических систем под воздействием факторов среды обитания является одной из причин несоответствия отклика природных популяций растений и животных на радиационное и химическое воздействия тем моделям, которые были построены на основе лабораторных экспериментов. Действительно, существуют экспериментальные подтверждения (Petin, Berdnikova, 1979; Петин, Комаров, 1989; Лысцов, 1993; Гераськин и др., 1996; Петин и др., 1999; Евсеева, Герась-кин, 2001; Geras'kin et al., 2005) того, что синергические и антагонистические ответные реакции биологических систем не являются артефактами при сочетанном действии внешнего у-излучения и факторов химической природы, в частности, металлов. Однако данных о совместном действии тяжелых естественных радионуклидов (ТЕРН) с разными по физическим и химическим свойствам металлами и внешним облучением в научной литературе крайне мало для принятия обоснованных решений относительно того, в каких радиоэкологических ситуациях и на каком основании следует проводить мероприятия по ограничению радиационного воздействия на б йоту. В связи с этим особенно важным становится изучение закономерностей и механизмов усиления либо ослабления биологического эффекта при одновременном действии факторов. Только такой подход позволит избежать множества логических и методологических ошибок, возникающих при анализе изменений, наблюдаемых в природных-лопуляцияттза<У" тений и животных, обитающих в условиях 11ь£*Ф. ~ Р1 я ^ -МьлА

\ имени К.А. Тимирязева

„нб имекн Н.И. Желеэнова \ ФОНД научны ^литературы,

№

В случае раздельного действия факторов, выяснение механизмов реакции биологических объектов также является крайне сложной задачей. В настоящее время не существует единого мнения даже по поводу формы зависимости «доза - эффект». В значительной мере это связано с недостатком информации о закономерностях действия низких, характерных для окружающей среды, доз ионизирующих излучений и концентраций металлов (Гераськин, 1995; вапНа' Ь) ТоррЬ СаЬЬпеШ. 1999). Еще более проблематичной становится корректная оценка состояния населяющих территории с ПЕРФ природных популяций растений и животных вследствие практически полного отсутствия достоверных сведений об эффектах тяжелых естественных радионуклидов. Несмотря на то, что зарождение радиобиологии как науки связано именно с исследованием биологического действия ТЕРН (Корого-дин, 1991), до настоящего времени существует ряд принципиально важных нерешенных вопросов в этой области, касающихся механизмов действия ТЕРН на клеточные структуры, оценки радиобиологического и токсического эффектов этих элементов. Решению кратко изложенных здесь проблем биологического действия повышенного фона естественной радиоактивности посвящено настоящее диссертационное исследование.

Цель и задачи исследования. Цель работы состояла в выявлении закономерностей реакции растений на раздельное и совместное действие внешнего облучения, тяжелых естественных радионуклидов и металлов.

Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:

1. Определить форму зависимости «доза - эффект» при действии на растения ^-излучения, и Сй.

2. Оценить вклад процессов восстановления повреждений ДНК и эндогенного глутатиона в снижение токсического эффекта низких и высоких концентраций гзгТЪ и Сс1.

3. Выявить закономерности реакции растений на раздельное и совместное кратковременное и длительное воздействие низких концентраций

с -у-изпучением или С<±

4. Количественно охарактеризовать вклад в индукцию токсического и мутагенного эффектов у растений тяжелых естественных радионуклидов и металлов при поступлении из сложных по ионному составу природных растворов.

5. Оценить влияние внешнего облучения и инкорпорированных тяжелых естественных радионуклидов на генетическую изменчивость растений горошка мышиного (Ук»а сгасса 1_.) из природной ценопопуляции, длительное время заселяющей территорию с повышенным фоном естественной радиоактивности.

Научная новизна. Впервые с использованием различающихся систематическим положением растений - АШит сера, ТгадезсапНа и СЫогеИа шфа/гё - показано, что синергический и антагонистический типы реакции биологических систем на совместное воздействие факторов радиационной и химической природы являются закономерными событиями и возникают с наибольшей вероятностью при низких дозовых нагрузках, характер-

ных для условий окружающей среды. По этой причине реально наблюдаемый уровень биологических эффектов в природных популяциях, населяющих радиоактивно загрязненные территории, часто существенно отличается от прогнозируемого на основе результатов экспериментальных исследований раздельного действия факторов. В этих условиях как внешнее облучение в низких дозах, так и инкорпорированные тяжелые естественные радионуклиды оказывают достоверное влияние на уровень генетической изменчивости в популяциях и возможности их адаптации к конкретной радиоэкологической ситуации.

Синергические мутагенный и токсический эффекты у растений могут возникать при совместном действии факторов в таких дозах, которые не являются остро токсичными, но индуцируют дополнительные к образующимся спонтанно потенциальные повреждения ДНК. В диапазоне низких доз действующих факторов могут быть обнаружены и антагонистические эффекты, выражающиеся в снижении частоты генных мутаций и аберраций хромосом без замедления митотической активности клеток и ростовых процессов растений. Для этого доза хотя бы одного из факторов должна быть достаточной для активации процессов восстановления повреждений ДНК. Увеличение интенсивности воздействия ведет к проявлению достоверных токсических эффектов, регистрируемых, в зависимости от силы совместного влияния факторов, на уровне тканей, органов или организма в целом.

ß диссертационной работе впервые показано, что форма зависимости мутагенного и токсического эффектов у растений от силы воздействия факторов радиационной и химической природы универсальна и характеризуется наличием трех участков, различающихся уровнем индуцируемых повреждений. В первом диапазоне регистрируемый биологический эффект не отличается достоверно от спонтанного, е пределах второго — статистически значимо превышает его, оставаясь на неизменном уровне. Сохранение неизменного (не отличающегося от контроля или достоверно повышенного) уровня цитогенетических нарушений в этих диапазонах дозовых нагрузок во многом связано с эффективностью восстановления повреждений ДНК. Дальнейшее увеличение интенсивности воздействия приводит к монотонному приращению отклика биологической системы.

С использованием в качестве тест-объекта Chlorella vulgaris впервые показано, что эндогенным глутатион имеет большее значение для предотвращения развития индуцируемых 235Th свободнорадикальных процессов, чем при детоксикации Cd е качестве субстрата для образования фитохе-латинов. Роль дополнительного синтеза эндогенного глутатиона, в отличие от процессов восстановления повреждений ДНК, проявляется в снижении эффекта высоких, являющихся токсичными, концентраций Cd или

Впервые изучены закономерности реакции растений на раздельное кратковременное и длительное воздействие Cd и иаТИ в низких концентрациях, встречающихся соответственно в условиях слабо и средне загрязненных кадмием территорий или на участках с повышенным фоном есте-

ственной радиоактивности. Установлено, что при поступлении из водных растворов с одинаковой концентрацией ^h вызывает однотипные реакции у различающихся систематическим положением растений - Allium сера, Tradescantia (клон 02) и Chlorella vulgaris. Воздействие 0.4 мкмоль/л il!Th не приводит к статистически значимому повышению уровня мутагенного и токсического эффектов. При содержании в растворе 1.6 мкмоль/л iä2Th индуцирует достоверный токсический эффект. В концентрации 0.8 мкмопь/л S32Th стимулирует рост корней Allium сера. Выявленный эффект не связан с феноменом гормезиса, поскольку обусловлен достоверным увеличением по сравнению с контролем длины клеток в базальной части зоны растяжения корня и не является следствием возрастания скорости деления или пула пролиферирующих клеток. Мутагенный эффект iWTh проявляется при хроническом воздействии на клетки волосков тычинок Tradescantia (клон 02) и увеличивается пропорционально концентрации радионуклида в растворе.

Реакция растений [Tradescantia (клон 02), Allium сера) на кратковременное и длительное воздействие Cd при поступлении из водных растворов с разной концентрацией существенно различается. Низкие концентрации кадмия (0.009 мкмоль/л и 0.09 мкмопь/л) не являются остро токсичными и не индуцируют достоверных мутагенных эффектов, но при хроническом воздействии могут вызывать токсический эффект, ослабевающий с течением времени. В более высоких (5 мкмоль/л) концентрациях Cd приводит к достоверным мутагенному и токсическому эффектам уже при кратковременном (30 ч) воздействии. С течением времени токсический эффект усиливается.

Впервые количественно оценен вклад факторов радиационной и химической природы низкой интенсивности в индуцируемые генетические эффекты у растений из лабораторных и природных популяций. Показано, что при совместном действии радионуклиды и металлы даже в низких концентрациях статистически значимо влияют на уровень мутагенного и токсического эффектов у растений. В изученной радиоэкологической ситуации внешнее облучение выступает в качестве фактора отбора, увеличивая частоту эмбриональных летальных мутаций у растений, а инкорпорированный в надземной массе горошка мышиного "°Th определяет не только уровень внутрипопуляционной цитогенетической изменчивости, но и, увеличивая вариабельность растений по чувствительности к внешним воздействиям, - возможности адаптации этого вида. Ведущим фактором, обусловливающим высокий уровень двойных фрагментов, являющихся признаком радиационного воздействия, является инкорпорированный ^Ra,

Теоретическая и практическая значимость. Выявленные общие закономерности реакции растений на воздействие различающихся физическими и химическими свойствами факторов существенно упрощают решение задач экологического нормирования и позволяют с единых позиций оценивать опасность для биоты радиационных и химических воздействий.

Установленные инвариантность формы зависимости «доза — эффект» относительно действующих факторов и свойств биологических объектов.

закономерности возникновения синергических и антагонистических эффектов существенно упрощают прогнозирование последствий влияния факторов радиационной и химической природы на фитоценозы.

Разработанная и апробированная в разных экологических ситуациях методология оценки вклада радиационной и химической составляющих в индуцируемые биологические эффекты у растений позволяет выявить факторы, интенсивность воздействия которых следует контролировать в первую очередь. Полученные результаты показывают, что при оценке опасности для экосистем радионуклидного и химического загрязнений необходимо применять комплексный, основанный на принципах экотоксикологии, подход. Причем на первом этапе целесообразно использовать методы биологического тестирования, позволяющие получить интегральную оценку действия присутствующих в природных средах компонентов. Если результаты биотестов оказываются положительными, следует прибегнуть к более детальным исследованиям, включая физико-химический анализ, выявление геохимических барьеров, определение параметров миграции загрязняющих веществ в конкретном ландшафте.

Положения, выносимые на защиту:

2. Форма зависимости мутагенного и токсического эффектов у растений от силы воздействия факторов радиационной и химической природы универсальна и характеризуется наличием трех участков, различающихся уровнем индуцируемых повреждений.

3. При совместном действии тяжелые естественные радионуклиды и/или металлы даже б низких концентрациях вносят достоверный вклад в формирование мутагенного и токсического эффектов у растений.

4. Низкие дозы внешнего облучения и инкорпорированные тяжелые естественные радионуклиды оказывают достоверное влияние на уровень генетической изменчивости в природных популяциях растений.

Личный вклад диссертанта в разработку научных результатов, выносимых на защиту. Автором лично поставлена цель исследования и запланированы необходимые для ее осуществления эксперименты, проведен сбор образцов растений из природных популяций, проанализировано более V, всех цитологических препаратов, выполнены статистическая обработка результатов собственных исследований и теоретический анализ данных литературы, сформулированы основные положения работы и выводы.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований были доложены и представлены на IV Международном симпозиуме «Урал атомный. Урал промышленный» (Екатеринбург, 1996), Интернациональном симпозиуме «Проблемы загрязнения окружающей среды в Арктике» (Тромсо, 1997), {II Съезде по радиационным исследованиям «Радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность» (Москва, 1997), Науч-

но-аналитической конференции «Человек на севере: условия и качество жизни» (Сыктывкар, 1998), Международной конференции «Проблемы радиационной генетики на рубеже веков» (Москва, 2000), Международном экологическом конгрессе «Новое е экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 2000), V Международной конференции по исследованию действия повышенного фона естественной радиации и радоноопасных территорий (Мюнхен, 2000), Международной конференции «Современные проблемы радиобиологии, радиоэкологии и эволюции (Дубна, 2000), Международной конференции «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды» (Сыктывкар, 2001), Xt Международном симпозиуме по биоиндикаторам {Сыктывкар, 2001), IV съезде по радиационным исследованиям (Радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) (Москва, 2001), Международной конференции «Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения» (Архангельск, 2002), Всероссийской научной школе «Актуальные проблемы экологического мониторинга: Научный и образовательный аспекты» (Киров, 2003), 111 Съезде по радиационным исследованиям «Радиобиология и радиоэкология» (Киев, 2003), Международной конференции «Радиационная безопасность территорий. Радиоэкология города» (Москва, 2003), Международной конференции «Экологические проблемы северных регионов и пути их решения» (Апатиты, 2004), Международной конференции «ЭКОРАД» (Экс-ан-Проеанс, 2004), VI Международной конференции «Экология человека и природа» (Плес, 2004), I Североамериканской конференции «Воздействие низких доз радиации» (Онтарио, 2005), VI Международном симпозиуме по радиологической защите (Кардифф, 2005), II Международной конференции «Радиоактивность окружающей среды» (Остерас, 2005), Международной конференции «Радиоактивность после ядерных взрывов и аварий» (Москва, 2005), Международной конференции БИОРАД-2006 (Сыктывкар, 2006), V съезде по радиационным исследованиям (Москва, 2006), 3 Международной конференции «Металлы в окружающей среде» (Вильнюс, 2006).

По теме диссертации опубликовано 33 статьи, из них 17 — в отечественных и зарубежных рецензируемых научных журналах и 1 монография.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, 4 приложений, списка литературы, включающего 452 источника, из них 225 - на иностранном языке. Диссертация изложена на 296 страницах и содержит 47 таблиц, 40 рисунков.

Благодарности. Выражаю искреннюю признательность научному консультанту д.б.н., профессору С.А, Гераськину за постоянную поддержку и ценные советы при подготовке диссертационной работы, научным сотрудникам отдела радиоэкологии Е.С, Белых и ТА. Майстренко за помощь при проведении лабораторных и полевых работ, дискуссии и участие в обсуждении результатов исследований, директору Института биологии Коми НЦ УрО РАН А.И. Таскаеву за пристальное внимание и помощь в организации научных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Раздельное и совместное действие факторов физической и химической природы на растения

Прогнозирование последствий воздействия радионуклидного и химического загрязнения для природных популяций растений и животных в значительной мере усложняется нерешенностью вопросов, связанных с определением формы зависимости «доза - эффект» в диапазоне низких дозовых нагрузок, выявлением закономерностей реакции биологических систем на совместное воздействие факторов и оценкой их вклада в наблюдаемый уровень генетической изменчивости.

Используемые в настоящее время для оценки биологических эффектов низкодозового облучения и сочетаиного действия факторов разной природы модели, основанные на линейной беспороговой концепции и гипотезе аддитивного сложения эффектов, носят экстраполяционный характер, не имеют прочного теоретического обоснования и входят в противоречие с имеющимися экспериментальными данными. Анализ литературы позволил сформулировать ряд выводов и наметить конкретные задачи, решение которых приближает нас к пониманию закономерностей реакции биологических систем на совместное действие факторов и способствует разработке новых принципов защиты живой природы от радиационных и химических воздействий.

1. Форма зависимости «доза - эффект» при действии на клетки малых доз ионизирующих излучений нелинейна и имеет универсальный характер, различаясь для разных объектов значениями доз, при которых происходит изменение зависимости. В отличие от радиобиологических исследований, где изучение эффективности малых доз облучения долгое время является приоритетным направлением, в токсикологических экспериментах не было уделено должного внимания действию низких концентраций металлов. Сведения о закономерностях биологического действия ТЕРН фактически отсутствуют. Следует ожидать, что реакция клеток является универсальной и в отношении действия химических факторов, поскольку в ходе эволюции природа использовала конечный набор систем сигнализации и управления работой клетки, принципов их сборки и функционирования. Для экспериментальной проверки положений сформулированной ранее (Гераськин, 1995) концепции биологического действия низких доз ионизирующего излучения и обоснования наших представлений об универсальном характере зависимости «концентрация - эффект» в отношении индукции цитогенетических нарушений при действии ТЕРН и металлов, на первом этапе были изучены закономерности формирования реакции растений на воздействие существенно различающихся по своим свойствам факторов - у излУчения> Сс) и игТЬ - в широком диапазоне доз.

2. В ответ на внешние воздействия в клетках инициируется множество последовательно и параллельно протекающих метаболических процессов, направленных на ослабление влияния неблагоприятных факторов. В зависимости от силы и характера внешнего воздействия относительная

роль определенных метаболических путей может меняться. С этих позиций установленная нелинейность дозовой зависимости в диапазоне низкой напряженности факторов (Гераськин, 1998) является математическим выражением способности клеток осуществлять выбор между определенными механизмами в зависимости от интенсивности и характера внешнего воздействия, Основными процессами, обеспечивающими нормальное функционирование клеток при влиянии неблагоприятных факторов, являются репарация повреждений ДНК, контроль клеточного цикла, увеличение внутриклеточного содержания защитных веществ. Для понимания основ устойчивости растений и механизмов совместного действия факторов разной природы важно выявить роль определенных процессов в снижении уровня индуцируемых повреждений при переходе от слабых к сильным внешним воздействиям. Оценка вклада процессов восстановления повреждений ДНК и эндогенного глугатиона в снижение эффекта действия Сс1 и гмП> стала следующей задачей работы.

3. Изучение действия металлов на биологические системы разного уровня организации является важным этапом исследований, результаты которых необходимы для обоснования решений в природоохранной деятельности и сельском хозяйстве. Однако данных о действии характерных для условий окружающей среды концентраций металлов на растения, даже в случае такого хорошо изученного токсиканта, как Сс1, в научной литературе недостаточно. Большинство проведенных до сих пор экспериментальных исследований относятся к случаю кратковременного воздействия высоких (более 1 мкмоль/л) концентраций С<1 В то же время в условиях окружающей среды в почвенных вытяжках средне загрязненных кадмием территорий его содержание варьирует от 0.32 до 1 мкмоль/л (ЭапКэ' сН Торр1, СаЬЬлеИу, 1999). Достоверные сведения о биологических эффектах низких концентраций тяжелых естественных радионуклидов на растения фактически отсутствуют.

Кроме того, при оценке качества окружающей среды по биологическим показателям важно выявить тот уровень организации живой материи, изменения в котором позволяют получить наиболее ранние и достоверные сведения о происходящих в экосистемах негативных процессах. Поэтому следующий этап исследований был связан с изучением реакции клеток, тканей и органов растений на кратковременное и длительное воздействие »ЛЬ и Се!.

4. Сложные, разнонаправленные процессы, индуцируемые сочетан-ным воздействием факторов разной природы, включающие, в частности, как активацию защитных механизмов, так и подавление их работы, способны приводить к самым разным ответным реакциям — от антагонизма до синергизма (Ионизирующее излучение..., 1982; Виленчик, 1991). Поэтому результирующий отклик биологической системы на совместное воздействие нельзя предвидеть, исходя только из информации об эффектах раздельного действия каждого фактора. В таком случае крайне важно определить тот диапазон дозовых нагрузок, в котором нелинейные эффекты возникают наиболее часто. Анализ данных литературы показывает, что

синергичесхие и антагонистические ответные реакции биологических систем с повышенной вероятностью должны наблюдаться в диапазоне низких, реально встречающихся в условиях окружающей среды доз действующих факторов, когда ресурсы надежности биологических систем еще не исчерпаны. Проверке этой гипотезы и выявлению закономерностей индукции синергических и антагонистических эффектов мы посвятили основную часть диссертационного исследования.

5. Если синергизм не является случайным событием и вносит достоверный вклад в ответную реакцию биологических систем на воздействия низкой интенсивности, то при совместном влиянии на клетки растений невысоких, присутствующих в природных средах, концентраций загрязняющих веществ (включая металлы и ТЕРН) можно наблюдать статистически значимые мутагенные и/или токсические эффекты. В таком случае важно установить, с какими именно факторами связан достоверный биологический эффект. С этой точки зрения в дополнение к исследованиям с модельными двухком-понентными системами необходимо было изучить реакцию клеток растений на воздействие многокомпонентного состава природных вод.

6. Оценка вклада физических и химических факторов в наблюдаемый в природных популяциях растений уровень генетической изменчивости является наиболее проблематичной. При той интенсивности нагрузки, которая характерна для большинства средне и слабо загрязненных экосистем, вклад радиационно-инду цироеанного мутационного процесса в изменчивость популяций животных и растений вычленить крайне сложно на фоне сильного модифицирующего действия самых разных экологических факторов и высокой гетерогенности составляющих популяцию особей по устойчивости к определенным видам воздействия. Решение этого вопроса возможно только на основе ясных представлений о закономерностях и механизмах реакции биологических систем на слабые сометанные воздействия и на базе единой апробированной методологии оценки вклада факторов в ответную реакцию б ноты. На завершающем этапе исследований мы ставили перед собой задачу оценки влияния факторов радиационной природы и индивидуальной изменчивости на уровень характерного для природных популяций растений мутагенеза. В этой области наши исследования являлись новыми, не имеющими аналогов в современной научной литературе. Решение этих вопросов крайне важно для ясного понимания характера генетических процессов, происходящих в условиях повышенных уровней радиоактивности, и открывает широкие возможности для разработки концепции защиты живой природы от радиационных воздействий.

Глава 2. Материал и методы

В качестве объектов исследования выбраны часто используемые в радиобиологических и токсикологических исследованиях растения - хлорелла, традесканция (клон 02), лук репчатый и шнитт-лук. Целесообразность применения каждого объекта для решения поставленных задач основана на чувствительности, точности и простоте регистрации маркеров токсических и мутагенных эффектов, воспроизводимости получаемых ре-

эультатов. Токсический и мутагенный эффекты оценивали по общепринятым критериям и методикам (табл. 1).

Эксперименты проводили в контролируемых условиях, оптимальных для роста и развития определенного вида растений. При этом контрольные варианты находились в строго идентичных с экспериментальными условиях.

Растворы исследуемых химических веществ (Сс1(МОэ)2; гз2ТЬ(МОэ),; кофеина (С8Н,0Ы4О1); 0и-бутионин-(5,Н)-сульфоксимина {СаН18Ыг033)) готовили на дистиллированной воде, поскольку в питательных средах содер-

Таблица 1

Объекты исследования и критерии оценки мутагенных и токсических эффектов факторов радиационной и химической природы

Объект исследований Регистрируемый показатель и методика Оцениваемый эффект

Chtorella vulgaris Beyer Прирост биомассы за 24 ч размножения а водных растворах, содержащих определенные концентрации тестируемых веществ (Свидетельство №01.19,231/2003 об аттестации » соответствии с ГОСТ Р 8 563-96) токсический

Twiescartira (клоп 02) снижение репродуктивной способности клеток волос» ков тычинок и динамика показателя за 30 дней {Un-derbflnk et а)., 19ТЗ; Ichikawa, Sparrow, 1978: Евсеева, Гераськин. 2001) токсический

частота и динамика соматических мутаций е клетках волосков тычинок за 30 дней (Underbrink eta).. 1973; Ichikawa, Sparrow, 1978; Евсеева. Гераськин, 2001) мутагенный

Album сера L. (2n « 1$) ЙШ прирост корней в модельных растворах за 30 и 72 ч по отношению к контролю (Евсеева и др.. 2005) токсический

мигготический индекс и индексы фаз миггоза (профазы. метафазы, анафазы) клеток меристемы корней через 30 ч прорастания (Паушева. I960) токсический

частота метафаэ с колхициновыми митозами (Паушева. 1980) токсический

частоты аберрантных клеток и аберраций хромосом, спектр аберраций е первом митотическом цикле (Паушева, 1980) мутагенный

A&um schoencptisum L. (2л = 16) 12 митотический индекс меристематических клеток корней через 30 ч прорастания в тестируемых пробах веды (Паушева, 1980) токсический

частоты аберрантных клеток и аберраций хромосом, слектр аберраций в первом митотическом цикле (Паушева, 1980) мутагенный

жатся вещества, образующие комплексы или конкурирующие при поступлении в растения. Контрольные растения содержали в дистиллированной воде. Специально проведенные (Evseeva et al., 2005) эксперименты показали отсутствие достоверных различий уровней цитогенетических повреждений у растений, содержащихся в дистиллированной воде и среде Кнопа. Наши данные согласуются с результатами других авторов (Wierzbicka, 1999; Marcano et al„ 2004),

Для оценки токсичности модельных растворов нитратов auTt> и Cd, а также изучения роли процессов восстановления повреждений ДНК и эндогенного глутатиона в снижении токсического эффекта этих элементов применяли аттестованную (Свидетельство Ns 01.19.231/2003 об аттестации в соответствии с ПОСТ Р 8.563-96) «Методику определения токсичности проб поверхностных пресных, грунтовых, питьевых, сточных вод, водных вытяжек из почвы, осадков сточных вод и отходов по изменению оптической плотности культуры водоросли хлорелла (CNoreHa vulgaris Beijer)». Культуру водоросли поддерживали в экспоненциальной стадии роста, ежедневно пересевая (Владимирова, Семененко, 1962) на жидкую 50 % среду Та-мийя. Суспензию клеток, разбавленную до оптической плотности 0.140 ± 0.005, по 10 мл засевали в 240 мл соответствующего варианту эксперимента раствора. Пробы, разлитые в стеклянные химические стаканы, выдерживали 4 ч при температуре 24 "С и освещенности 3.9-4.0 тыс. люкс от ламп Phillips TLD-36W/840. Эти пробы использовали для приготовления контрольного и экспериментальных образцов. Изучали раздельное действие iI2Th, Cd, кофеина, бути они нсульфокси мина (BSO) и совместное -23iTh либо Cd с кофеином или BSO. Для приготовления проб, содержащих определенные концентрации металла или радионуклида, в суспензии вводили микродозатором необходимую аликвоту из матричного раствора нитрата 2i2Th либо Cd с концентрацией по катиону 0.77 ммоль/л и 0.89 ммоль/л соответственно. Из контрольной и каждой экспериментальной пробы (с рН 6.5-7) автоматической пипеткой брали аликвоты по 6 мл и переносили в стандартные кюветы (шесть-двенадцать ловторностей на вариант опыта). В каждой такой кювете исходно содержалось 154000 ± 26000 клеток водоросли/мл. Оценку плотности культуры водоросли проводили с использованием камеры Горяева по методике (Владимирова, Семененко, 1962). Кюветы на 24 ч для наращивания хлореллы помещали в культиваторы (Григорьев, Андреев, 2001) с автоматически вращающимся кюветодержателем. Температура (36 ± 0.5 "С), освещенность (1400 люкс) и содержание СОг (0.03 %) поддерживались постоянными в течение эксперимента. При завершении опыта измеряли оптическую плотность суспензии водоросли. По отклонению величины конечной оптической плотности опытных образцов от контрольных оценивали токсичность проб. Измерение оптической плотности культуры водоросли проводили в стандартной кювете (толщиной 10 мм) на фотометре при длине волны 670 нм.

При изучении токсического (на уровне клеток, ткани, органов растений) и мутагенного эффектов MiTh и Cd использовали в качестве тест-объекта лук репчатый, сорт Даниловский (не менее 5 луковиц на вариант опыта).

Корни луковиц проращивали в темноте при +2t ± 2 "С в дистиллированной воде (контроль), растворах, содержащих определенные концентрации i32Th, Cd или *"Th совместно с Cd. Через 30 и 72 ч от начала эксперимента все корешки срезали, измеряли их длину. Токсичность исследуемых растворов оценивали по относительным инкрементам (ДМо / Mo, %), сравнивая значения модальных классов (Mo) длин корней в опыте и контроле. Количественный и качественный учет перестроек хромосом в ана-телофазе первого митотического цикла клеток корневой меристемы лука (в условиях наших экспериментов — через 30 ч в корнях длиной 0.8-1.2 см), митотичес-кий индекс и долю колхициновых митозов (К-митозов) оценивали общепринятыми методами (Паушева, 1980).

Для изучения биологического действия хронического '/-излучения использовали почвенные либо гидропонные культуры традесканции. В первом случае традесканцию выращивали в грунте, состоящем из почвы, леска и перегноя (1:1:1). В экспериментах с вещными культурами свежесрезанные побеги с соцветиями с момента раскрытия первого бутона помещали в пробирки с дистиллированной водой при автоматической подаче воздуха. Часть растений (не менее шести на вариант опыта) облучали, другая часть служила контролем. Облучение начинали с момента раскрытия первого бутона в соцветии. Растения экспонировали 72 ч от закрытого источника ^Ra при мощностях доз у-излучения 0.27-10^, 1.5210 \ 3.47-10Л 12.64-10-*, 30.83-10'5, 73,9-103, 76.25-10 ', 126.39-10-М 94.44-10 *, 371.39-10 3 и 586.7-10а сГр/ч на уровне соцветия. К концу облучения дозы составили соответственно 0.02, 0.11, 0.25, 0.91, 2,22, 5.32, 5.49, 9.10, 14.00, 26.74, 42.24 сГр. Мощность экспозиционной дозы являлась функцией расстояния от источника облучения, доза — функцией времени.

При изучении хронического (30 дней) раздельного и совместного действия ^h с у-излучением или Cd, а также для оценки мутагенности и токсичности проб талой воды из различающихся уровнем техногенного воздействия районов г. Сыктывкар (Республика Коми) применяли гидропонные культуры традесканции.

Биотестирование проб воды из природных источников, расположенных в районе хранилища отходов бывшего радиевого производства, проводили с использованием шнитт-лука, поскольку данный вид размножается преимущественно вегетативно, что обусловливает низкую индивидуальную изменчивость. Это важно (Гераськин, Козьмин, 1995) при изучении низкоинтенсивных многофакторных воздействий и биотестировании компонентов окружающей среды. В данном эксперименте луковицы (не менее шести на вариант) помещали сначала в дистиллированную воду (контроль) для отращивания корней до 0.2 см, после - в тестируемые образцы на 30 ч. Корешки длиной 0.6-1.2 см срезали и фиксировали для последующего онтогенетического анализа.

Уровень генетической изменчивости горошка мышиного (Vicia cracca L.; 2 п = 14) из природной це но популяции, длительное время заселяющей территорию с повышенным фоном естественной радиоактивности, оценивали на основе частоты эмбриональных летальных мутаций в бобах (по

100 штук на вариант), частоты аберраций хромосом и спектра аберраций в корневой меристеме 08-169 проростков семян (Попова и др., 1984, 1985).

Концентраций ионов металлов а пробах воды определяли в аккредитованной (аттестат № РОСС Ви. 0001.511257) лаборатории «Экоаналит» Института биологии Коми НЦ УрО РАН, а содержание ТЕРН в пробах воды и надземной массе растений горошка мышиного - в лаборатории миграции радионуклидов и радиохимии Института биологии, зарегистрированной в Государственном реестре № 41623-2003. Концентрации 2,0Ро и^РЬ оценивали методом электрохимического осаждения элементов из раствора на никелевые диски. Интенсивность сс-излучения м°Ро и 3-излучения гшЕЙ - дочернего изотопа г'°РЬ, определяли на УМФ-2000М. Ошибка метода -10 % (Адамова, Таскаев, 1980). Для изучения содержания твТЬ и гэоТЬ в образцах растений использовали а-спектрометрический метод после ионообменного выделения тория (Шуктомова и др., 1983).

Статистическую обработку данных осуществляли общепринятыми методами (Абезгауз и др., 1970; Кендалл, Стьюарт, 1973; Закс, 1976; Крамер, 1975; Айвазян и др., 1983). Коэффициенты взаимодействия и их достоверность находили по формулам, приведенным в работе (Гераськин и др., 1996).

Глава 3. Закономерности и механизмы действия у-излучения, г,гТ11 и Сй на растения

В настоящее время существуют экспериментальные подтверждения нелинейной зависимости биологического эффекта от дозы ионизирующих излучений и некоторых биологически активных веществ. Тем не менее, практически полное отсутствие достоверной экспериментальной информации о биологических эффектах, которые может индуцировать облучение в дозах менее 1 сГр, а также существование альтернативных подходов к объяснению причин нетривиальной формы дозовой зависимости в диапазоне малых и близких к ним доз обусловили необходимость проведения новых исследований, направленных на восстановление формы дозоеой зависимости в этом, наиболее важном с точки зрения практических приложений, диапазоне. Еще меньше достоверной информации имеется для случая действия ионов металлов и инкорпорированных радионуклидов в низких концентрациях. в одних экспериментальных работах постулируется линейная зависимость «концентрация металла - эффект», в других обсуждается нелинейность этой зависимости. Причем и в том, и в другом случае числа экспериментальных точек явно недостаточно, чтобы составить ясное представление о форме зависимости в диапазоне низких доз. Поэтому мы спланировали эксперименты таким образом, чтобы наиболее детально исследовать форму зависимости в области низких значений доз различающихся по своим физическим и химическим свойствам факторов.

На рис. 1-4 представлены зависимости частоты соматических мутаций и потери репродуктивной способности клеток волосков тычинок традесканции клона 02 от дозы хронического ^-излучения, а также зависимости

1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

-0,2 — -5

-3

-113 5

Доза,сГр 003 (1,11 0.15 0<>1 2.23 5.32349 9.1 Ы 26.7442,24 Рис. 1, Зависимость частоты мутаций в клетках волосков тычинок традесканции (клон 02) от дозы хронического уизлучения.

По оси абсцисс — натуральный логарифм дозы у-излучения, сГр; по оса ординат -инкремент частоты мутаций, %.

Дим, сГр 0.02 О М 0,25 0.91 2.22 5.32 Я1) 9,1 14 26.74 42.24

Рис, 2. Снижение репродуктивной способности клеток волосков тычинок традесканции (клон 02) в зависимости от дозы хронического у-излучения. По оси абсцисс - натуральный логарифм дозы у-излучения, сГр; по оси ординат — снижение репродуктивной способности клеток, инкремент, %.

прироста биомассы асинхронно делящихся клеток хлореллы за 24 ч размножения в растворах нитрата гзгТИ или Сс1. Даже без использования специальных математических методов очевидно, что исследованные зависимости естественным образом делятся на три участка, различающихся уров-

0,04

-0,14 ----I—---------г----1--1--

-21 -19 -17 -15 -13 -И

Рис. 3. Зависимость изменения оптической плотности суспензии асинхронно делящихся клеток хлореллы от концентрации одного аааТТ| (кривая 1), в присутствии ВЭО (2) или кофеина (3).

По оси абсцисс - натуральный логарифм концентрации "ПЪ, моль/л; по оси ординат - инкремент оптической плотности суспензии клеток водоросли после 24 ч размножения.

-20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 Рис. 4. Зависимость изменения оптической плотности суспензии асинхронно делящихся клеток хлореллы от концентрации одного С<3 (кривая 1), в присутствии ВЭО (2) или кофеина (3).

По оси абсцисс - натуральный логарифм концентрации Сй, моль/л; по оси ординат - инкремент оптической плотности суспензии клеток водоросли после 24 ч размножения.

нем индуцируемых в их пределах повреждений. В первом диапазоне регистрируемый биологический эффект не отличается достоверно от контрольного, во втором - статистически значимо превышает его, но остается на неизменном уровне. Следует обратить особое внимание на тот факт, что эти два диапазона охватывают дозовые нагрузки, характерные для слабо и средне загрязненных тяжелыми металлами экосистем и территорий с повышенным фоном естественной радиоактивности, т.е. для большинства ситуаций, возникающих в окружающей среде. И только превышение этой интенсивности воздействия приводит к монотонному приращению отклика биологических систем.

Сделанные выводы в отношении формы дозовой зависимости основаны исключительно на экспериментальных данных и не опираются на какие-либо гипотезы или экстраполяционные модели.

Результаты этих исследований являются не только еще одним доказательством неправомочности использования линейных моделей для прогнозирования биологических эффектов низкоинтенсивных воздействий, но исвидетельствуютотом, что форма зависимости «доза—эффект» по выходу цитогенетических повреждений инвариантна относительно свойств исследованных факторов и биологических объектов.

Полученные данные являются серьезным аргументом в пользу развиваемой нами концепции (Гераськин, 1995), согласно которой экспериментально наблюдаемая ответная реакция клеток на внешние воздействия универсальна и представляет собой результат развертывания во времени генетической программы, выбор конкретного варианта которой определяется интенсивностью и характером этого воздействия.

С этих позиций важно установить, какие механизмы определяют режим функционирования клеток при определенных доэовых нагрузках. Для этого были использованы методы модификации повреждающего действия факторов.

Рассмотрим сначала результаты действия у-облучения на традесканцию в условиях водной культуры без элементов питания (табл. 2). Известно (Айе1тап е( а1„ 1988; Вп«, 1996), что недостаток элементов питания растений обусловливает снижение скорости ферментативных процессов, в том числе восстановления повреждений ДНК. В этих условиях достоверное увеличение частоты соматических мутаций и снижение репродуктивной способности клеток наблсдается при таких дозах облучения (0.01 и 0.23 сГр соответственно), которые не вызывали достоверных изменений у традесканции, выращенной в почве (рис. 1,2). В то же время спонтанные уровни изучаемых показателей для почвенных и водных культур достоверно не различались. Повышение дозовой нагрузки до 2.97 сГр приводит к монотонному увеличению частот регистрируемых повреждений волосков тычинок. Достоверные различия в реакции на малые дозы облучения почвенных и водных культур традесканции (Р = 12.22, р = 0.001 - для частоты соматических мутаций; соответственно 8.29 и 0.007 — для репродуктивной способности клеток) связаны, таким образом, с особенностями физиологического состояния системы, которое определяет направленность и эффективность метаболических процессов (в том числе метаболизма ДНК) в клетках.

Таблица 2

Частота соматических мутаций, изменение репродуктивной способности клеток волосков тычинок традесканции (клон 02) при действии хронического у-облучения в условиях водной культуры без элементов питания

Доза облу- Количество проанализированных Соматические мутации, % Снижение репродуктивной способности клеток. %

чения, сГр ВОЛОСКОВ ТЫЧИНОК, шт. X±Sx Инкремент X±Sx Инкремент

Контроль 19452 0.056 ±0.009 0 0,057 ±0.009 0

0.01 20429 0.142*±0,027 0.08 0.098 ±0.051 0.037

0,10 15423 0,156*±0,027 0,10 0.065 ±0.028 0.007

0.23 23518 0.165'±0.006 0.11 0,340* ±0.156 0.240

0.89 10295 0,214'±0,038 0.16 0.534* ±0.108 0.470

2.97 12562 0.287" ±0.051 0.23 1,006? ±0,156 0.853

9.10 20346 0.270° ± 0.030 0.21 0.148 ±0.034 0.095

Примечание: отличие от контроля достоверно при р < 0.05 (а), < 0.01 (б).

Вклад процессов восстановления повреждений ДНК в ответную реакцию клеток растений на внешние воздействия становится еще более очевидным при анализе результатов оценки токсического действия на хлореллу 2MTh или Cd в присутствии кофеина.

Известно (Jafari, Rabbani, 2000; Pincheira et al., 2003), что в микромолярных концентрациях кофеин не приводит к образованию супероксидных анионов, не вызывает деградации ДНК и может увеличивать выживаемость клеток растений и животных. Модифицирующее действие кофеина на процессы восстановления индуцированных ионизирующими излучениями повреждений ДНК, в том числе у Chiorelia vulgaris, связывают (Шевченко, 1979) с его способностью ингибировать репарационный и репликативный синтез ДНК.

В ходе предварительных экспериментов выбрали концентрацию (0.02 ммоль/л) кофеина, которая не замедляет размножение клеток хлореллы за 24 ч по сравнению с интактным контролем, но может повлиять на процессы восстановления повреждений ДНК, индуцированных !asTh либо Cd прямо ипи опосредованно.

В присутствии кофеина в выбранной концентрации гз2ТЬ угнетал размножение хлореллы при содержании в растворе 0.34 (рис. 3), а Cd -0.009 мкмоль/л (рис. 4). Дальнейшее повышение концентраций элементов приводило к монотонному снижению прироста биомассы водоросли. Регистрируемого в отсутствие кофеина дозонезависимого участка в области действующих концентраций или Cd не наблюдали. Отсюда следует, что iSiTh и Cd в указанных концентрациях индуцируют потенциальные повреждения ДНК, которые репарируются без дополнительного воздействия кофеина, а эффективность восстановления этих повреждений обусловливает сохранение неизменного уровня выживаемости хлореллы при увеличении интенсивности нагрузки в данном интервале доз.

Помимо репарационных процессов важную роль в снижении эффектов действия как ионизирующих излучений, так и химических веществ, играет глутатион. Эндогенные тиопы и, в частности, глутатион, способны (Шевченко, 1979; Кудряшов, Гончаренко, 1999; Cobbett, 2000) перехватывать свободные радикалы, индуцируемые ионизирующим излучением или тяжелыми металлами в клетках. Кроме того, глутатион является (Cobbett, 2000) субстратом для синтеза фитохелатинов, непосредственно связывающих ионы металлов.

Основываясь на тех же предпосылках, что и в экспериментах с кофеином, была выбрана эквимолярная (0.02 ммоль/л) концентрация BSO, которая не подавляет размножение хлореллы, но ингибирует (Pelayo et al., 2001; Griffith, Meister. 1979; Cobbett, 2000) сверхэкспрессию у-глутамилцис-теинсинтетазы — ключевого фермента синтеза глутатиона.

Как показали наши исследования (рис. 3), ингибирование дополнительного синтеза глутатиона повышает чувствительность клеток хлореллы к действию и таких концентраций 21sTh (1.293-1.551 мкмоль/л), которые в отсутствие BSO не влияют на прирост биомассы водоросли за 24 ч, и таких (1.595-2.155 мкмоль/л), которые достоверно снижают его в среднем на 1.7 %, Обратим внимание, что роль глутатиона в данном случае сводится к перехвату свободных радикалов, поскольку MrTh не образует устойчивых комплексов с -SH группами и в первые 24 ч сорбируется (коэффициент накопления 10s) из водного раствора преимущественно на поверхности клеточной стенки Chlorella spp. (Марчюленене, 1986).

Роль глутатиона в снижении токсичности кадмия для клеток хлореллы выявлена (рис. 4) при концентрациях (более 0.9 мкмоль/л), которые сами по себе достоверно снижают прирост биомассы водоросли на 25-99 %. Напомним, что глутатион является субстратом для синтеза фитохелатинов, ведущая роль которых в детоксикации Cd установлена в лабораторных экспериментах с высокими (более 1 ммоль/л) концентрациями металла. Из полученных нами результатов следует, что повышенный синтез фитохелатинов необходим для связывания таких количеств Cd, которые если и могут встречаться в окружающей среде, то только на сильно загрязненных локальных участках. Поэтому следует признать, что роль этого механизма в детоксикации Cd в реальной ситуации важна не более, чем остальных известных путей выведения металла из метаболизма растений.

В целом, полученные результаты свидетельствуют о преимущественном вкладе процессов восстановления повреждений ДНК по сравнению с глутатион ом в поддержание нормального метаболизма клеток при воздействии как H2Th, так и Cd.

Глава 4. Реакция клеток, тканей и органов растений

на воздействие низких концентраций 2MTh и Cd

Рассмотрим сначала результаты экспериментов по изучению 30- и 72-часового действия Cd на клетки меристемы и рост корней лука репчатого. Кадмий при самой низкой из использованных концентраций

(0.009 мкмоль/л) не увеличивал частоту аберрантных ана-телофаз (рис. 5) и не задерживал процесс прорастания корней (рис. 6), о чем свидетельствует сравнение частот распределений длин корней после 30 ч роста в экспериментальном растворе и контроле. Снижения митотического индекса (рис. 7) клеток корневой меристемы лука также не было зарегистрировано. В то же время 8 первом митотическом цикле наблюдали токсический эффект на клеточном уровне. Он проявлялся в формировании профаз-

0009

0.09

Рис. 5. Частота аберрантных клеток (с указанием количества проанализированных ана-телофаз; по оси ординат, инкремент, %) в меристеме корн«й АЮ'ит сера I.. после 30 ч роста в растворах нитрата Сс1 с разными концентрациями по катиону (по оси абсцисс, мкмоль/л).

Рис. в. Степень янгибирования (по оси ординат, АМо / Мо, %) роста корней АМит сера 1-. за 30 (диаграмма черного цвета) и 72 ч (диаграмма белого цвета) в растворах нитрата С<1 с разными концентрациями по катиону {по оси абсцисс, мкмоль/л).

-1-----1--—I--

0.009 ООО 5

Рис. 7. Митотический индекс (по оси ординат, инкремент, %) клеток меристемы корней АШит сере I.. после 30 ч роста в растворах нитрата С4 с разными концентрациями по катиону (ло оси абсцисс, мкмоль/л).

но-метафаз ного бпока и увеличении доли клеток с колхициновыми митозами (рис, 8), Это, очевидно, вызвало сильное (на 73 %> торможение роста корней через 72 ч (рис. 6).

Рис, 8. Доля (по оси ординат, %) метафаз (с указанием количества проанализированных метафаз) с К-м птозами в меристеме корней АШит сера [_. после 30 ч роста в растворах нитрата С4 с разными концентрациями ло катиону (ло оси абсцисс, мкмольУл).

Повышение концентрации Сс1 в растворе до 0.09 мкмоль/л привело к задержке начала прорастания, хотя длина корней модального класса через 30 ч роста не отличалась от контрольной (рис. 6). Такая защитная реакция в нашем случае нашла свое выражение 8 достоверном снижении частоты аберрантных клеток (рис. 5) в корневой меристеме через 30 ч от качала воздействия. Митотический индекс (рис. 7) и относительная длительность мета- и анафаз также не отличались от контроля. Доля К-мито-зов (рис. 8) хотя превышала контроль, но была достоверно ниже, чем при действии меньшей концентрации кадмия. Поэтому через 72 ч после воздействия 0.09 мкмоль/л Сс1 наблюдали только 36 %-ное ингибирование роста (рис. 6) корней лука, а не 73 %-ное, как в случае с более низкой концентрацией кадмия.

При высокой концентрации (5 мкмоль/л) кадмия фиксировали статистически значимое увеличение частоты аберрантных клеток (рис. 5) в первом митотическом цикле и токсический эффект на уровне клеток (рис. 8), ткани (рис. 7) и органа (рис. 6).

Хроническое действие кадмия в низких концентрациях (0.009 и 0.09 мкмоль/л) на традесканцию (клон 02) не привело к повышению частоты соматических мутаций на фоне достоверного угнетения деления клеток волосков тычинок (табл. 3). Динамика изученных показателей за 30-дневный период свидетельствует о снижении токсического эффекта с течением времени. При содержании в растворе 5 мкмоль/л мутагенный эффект кадмия не проявлялся на фоне гибели бутонов в соцветиях, начиная с 24 дня от начала эксперимента. Восстановления деления клеток волосков тычинок со временем не происходило.

Отсюда следует, что низкие концентрации Сс1 (в условиях наших экспериментов - 0.009 и 0.09 мкмоль/л) не являются остро токсичными для растений и не индуцируют достоверно высоких мутагенных эффектов. Их токсическое действие, выявляемое на уровне клеток в первые дни от начала эксперимента, может снижаться с течением времени, а при высоких концентрациях, наоборот, усиливается.

Таблица 3

Частота соматических мутаций и снижение репродуктивной способности клеток волосков тычинок традесканции (клон 02) при действии Сй

Концентрация Сс), мкмоль/л Количество проанализированных волосков тычинок, шт. ЧЯГ.тйтй 1 соматических Снижение репродуктивной способности мутаций, % | кпетсж' А

в расчете на 1 растение за период с 4 по 30 день ежед» регистри еено руемое

С 4 по 17 день с 18 по 30 день

Контроль 17839 0.081 ±0.042 0.103 ±0.033 0.05±0,07 0.30*0.23

0.009 23490 0.096 ± 0.054 0.229 ± 0.050' 0.33±0.23* 0.17Ю.23

0.09 20481 0.082 ± 0.045 0.134 ± 0.035' 0.26±0,ОТ 0

5.0_ 8066 0.110±0.030 0.227 1 0.052* 0.24±0.18в 0.26±0.26

Примечание: отличие от контроля достоверно при р < 0,05 (а), < 0.01 (б); < 0,01 (е).

при одинаковых концентрациях в водном растворе вызывал однотипную реакцию у различающихся систематическим положением растений. При содержании 0.4 мкмоль/л "П'Ь не индуцировал статистически значимых биологических эффектов: не ингибировал прирост биомассы хлореллы (рис. 3), не задерживал рост корней лука через 30 ч (рис. 9) и не снижал репродуктивную способность клеток волосков тычинок традесканции (табл. 4) в течение 30 дней. В наибольшей из использованных концентраций (1.6 мкмопь/л) 23ГТЬ вызывал достоверный токсический эффект, регистрируемый по всем изученным показателям. В концентрации 0.8 мкмоль/л гз2ТЪ приводил к увеличению частот соматических мутаций в волосках тычинок традесканции (табп. 4), ана-телофаз с отставшими хромосомами (0.75 % - при действии !МТЬ, 0-в контроле) и доли К-митозов (2.71 % при действии 0.3 - в контроле) в корневой меристеме лука. При этом содержании в растворе радионуклид не вызывал токсического эффекта как в случае кратковременного (рис. 3, 9, 10), так и хронического (табл. 4) действия на клетки растений. Наоборот, была обнаружена стимуляция роста корней лука (рис, 9). В то же время митотический индекс (рис, 10) клеток корней через 30 ч роста достоверно не отличался от контроля. После 72 ч прорастания луковиц в растворе, содержащем 0.8 мкмоль/л радионуклида, регистрируемый митотический индекс клеток меристемы также не превышал контрольного значения для корней длиной 0.7-11 и 1.5-2" см, и был достоверно (р = 0.039) снижен в случае 3-3.5'" см.

На основе полученных результатов можно предположить, что стимулирует рост корней не за счет увеличения митотической активности ме-ристематических клеток, а удлинения клеток в зоне растяжения и/или дифференциации. Экспериментальным подтверждением сделанного вывода являются результаты (рис. 11) измерения длины клеток (не менее 100 в каждом отрезке) в зоне растяжения корней одинаковой (3.5 ± 0.1 см) длины через 72 ч роста. Из представленных данных следует, что при воздействии 235ТЪ эффект разрыхления клеточных оболочек наблюдается в ба-зальной части зоны растяжения корня, где средняя длина клеток досто-

Таблица 4

Частота соматических мутаций и снижение репродуктивной способности клеток волосков тычинок традесканции (клон 02) при действии 232ТЬ

Концентрация "^ТИ, мкмопь/л

Количество проанализированных волосков тычинок, шт.

Частота соматических мутаций. %

Снижение репродуктивной способности клеток. %

Контроль 0.4 0.0 1.6

17839 12252 12462 9798

0.08±0.04 0.14Ю.06 0.18±0.02* 0.27±0.05*

0,09±0.04 0.10±0.04 0.1210.02 0.46±0.04"

' Длина корней 1-го модального класса после 72 ч действия гзгТЬ. " Длина корней модального класса в контроле. Длина корней 2-го модального класса после 72 ч действия гаТЬ.

0.4 0.8 1.6

Рис. 9. Степень ингибирования (по оси ординат, ДМо / Мо, %) роста корней АШит сера I.. за 30 (диаграмма черного цвета) и 72 ч (диаграмма белого цвета) в растворах нитрата П2ТЬ с разными концентрациями по катиону (по ос« абсцисс, мкмоль/л).

12 3 4

Рис. 10. Митотический индекс (ло осы ординат, %) мерисгематических клеток корней (1 - 0.9-1; 2 - 0.7-1; 3 - 1,5-2; 4 - 3-3,5 см) АШит сера и после 30 (1) и 72 (2-4) часов роста в дистиллированной воде (диаграмма серого цвета) или растворе нитрата *ЗЗГП) с концентрацией 0.6 мкмоль/л по катиону (диаграмма белого цвета),

верно превышает регистрируемую в контроле. Таким образом, обнаруженный эффект стимуляции роста корней лука не имеет ничего общего с феноменом гормезиса.

0.2-1

1.0-2.0

2.0-3.5

Рис. 11. Длина (ло оси ординат, мкм) клеток в зоне растяжения (по оси абсцисс -расстояние от апекса, см) корней Allium сера L. через 72 ч роста в дистиллированной воде (диаграмма серого цвета) или растворе нитрата !3ITh с концентрацией 0.8 мкмолъ/л по катиону (диаграмма белого цвета).

Проведенные эксперименты лозвопили получить наиболее полное представление о биологических эффектах, которые могут индуцировать "ЧЬ и Сй в концентрациях, характерных для слабо и средне загрязненных металлами территорий и участков с повышенным фоном естественной радиоактивности, а также понять, как нарушения, возникающие на уровне клеток, отражаются со временем на реакции органов растений. Эти данные представляют собой неотъемлемую часть исследований совместного действия факторов физической и химической природы на растения, а в части изучения действия на разные уровни организации растений являются новыми научными данными. Полученные результаты также свидетельствуют. что именно изменения на базовом, молекулярно-клеточ-ном уровне организации биологических систем, позволяют получить наиболее ранние и достоверные сведения о негативных изменениях, происходящих при низкоинтенсивном воздействии неблагоприятных факторов внешней среды. Следовательно, именно цитогенетические критерии целесообразно использовать для ранней диагностики изменений в экосистемах, возникающих в результате хозяйственной деятельности человека.

Глава 5. Закономерности реакции растений

на совместное действие "ПЪ с С<3 и внешним у-излучением В современной практике экологического нормирования эффекты совместного действия факторов оценивают по результатам раздельного на основе принципов линейности и аддитивности. В то же время данных о

раздельном действии факторов на клетки и ростовые процессы растений явно недостаточно, чтобы иметь ясное представление об уровне биологических эффектов, индуцируемых при совместном действии факторов, поскольку в этом случае могут возникать синергические и антагонистические ответные реакции. Синергические и антагонистические эффекты необходимо учитывать в практике экологического нормирования и при оценке экологического риска, если:

— они являются закономерными, а не случайными событиями в диапазоне дозовых нагрузок, характерных для окружающей среды;

- нелинейные эффекты вносят достоверный вклад в реакцию биологических систем разного уровня организации.

Анализ результатов изучения реакции растений на уровне клеток, ткани и органов на совместное кратковременное и хроническое действие а!Т(1, у-излучения и СО показал, что синергические мутагенный и токсический эффекты возникают при совместном действии факторов в низких дозах, которые не являются остро токсичными при раздельном действии и характерны для условий слабо и средне загрязненных кадмием территорий (ЗапКа" Торр1, СаЬЬпеШ. 1999) и участков с повышенным фоном естественной радиоактивности (Титаева, Таскаев. 1983; Мельник и др., 2004).

Так, совместное действие самой низкой из использованных концентраций Се1 (0.009 мкмоль/л1*) с И2ТЪ (0.8 мкмоль/лу) на корневую меристему лука приводит (рис. 12) к статистически значимому (р = 2.2610^) повышению частоты аберрантных ана-телофаз. Уровень регистрируемого мутагенного эффекта сравним с наблюдаемым при совместном действии радионуклида с Сс! в высокой концентрации (5 мкмоль/л), которая уже раздельно вызывает (рис. 5) достоверное повышение частоты аберрантных клеток. Значения коэффициентов взаимодействия, которые являются (Ге-раськин и др., 1996) количественной мерой отклонения реакции биологической системы на совместное действие факторов от ожидаемого аддитивного отклика, свидетельствуют, что максимальный синергизм в отношении мутагенного эффекта наблюдается именно при действии самой низкой (0.009 мкмоль/л) из использованных концентраций Сд с мгТГ>. Дисперсионный анализ показал, что радионуклид вносит определяющий вклад (58.7 %) в индукцию аберрантных клеток, кадмий - 23.5 %, совместное действие факторов -17 %.

Токсический эффект, выражающийся в снижении скорости роста корней лука через 30 ч от начала эксперимента (рис. 13 А), при совместном действии таких концентраций (0.4, 0.8 мкмоль/л) и Сс( (0.009, 0.09 мкмопь/л), которые сами по себе не ингибируют (рис. 6, 9) ростовые процессы, часто сравним по уровню с регистрируемым в случае раздельного действия высоких концентраций. Через 72 ч именно при самом низ-

" Или 0.001 мг/л; ПД(С для питьевой воды - 0.001 иг/л (Предельно допустимые..., 2003); для рыбохоэяйственных водоемов - 0.0005 (Приееэенцее, 1973).

4 Или 1.8 мг/л (0,56 Бк/л), что соответствует предельно допустимому уровню вмешательства (Нормы..., 1999) при поступлении с водой для населения.

0,009

0.09

Рис. 12. Частота аберрантных ана-телофаэ (столбцы на диаграмме с указанием количества проанализированных ана-телофаз) в меристеме корней Шит сера I. после 30-часового действия Сс! с гзгТЬ в концентрации 0.8 мкмоль/л и значения коэффициентов взаимодействия (квадраты на диаграмме). По оси абсцисс - концентрация Сс1, мкмоль; по оси ординат (слева,) - частота аберрантных ана-телофаз, инкремент %; по оси ординат (справа) - значение коэффициента взаимодействия.

•60-)--1----г---г —

123456789

Рис. 13. Степень ингибирования (по оси ординат, дМо/ Мо, %) роста корней АШит сера и. за 30 (А) и 72 ч (Б) в растворах нитрата Сс] с концентрацией по катиону (по оси абсцисс) 0,009 мкмоль/л (N4 1-3). 0.09 (4-6), 5 (7-9) и ззгТЬ 0.4 мкмоль/л (N9 1,4, 7), 0.8 (2, 5, 8), 1.6 (3, 6. 9).

ком (0.009 мкмоль/л) содержании в растворе Сс1 в сочетании со всеми изученными концентрациями гзгТ11 происходит (рис. 13 Б) наиболее существенное торможение роста корней. При этом И2ТЬ и Сс1 вносят достоверный и равный вклад (соответственно 25.6 и 23.8 %) в индукцию токсическо-

го эффекта. Преобладающее влияние (42.3 %) на рост корней оказывает их совместное действие.

Однотипная реакция наблюдается при хроническом (30 дней) совместном действии Сс1 и гзгГЬ на традесканцию (клон 02). Все исследованные сочетания концентраций изученных факторов, за исключением варианта совместного действия 0.09 мкмоль/л Сс) и 0.4 мкмоль/л К1ТЬ, вызывают (рис. 14) достоверно (р < 0.01) высокий в сравнении с контролем токсический эффект, оцениваемый по снижению репродуктивной способности клеток волосков тычинок традесканции. Но только в случае влияния на растения 0.009 мкмоль/л Сс! с 0.4 и 0.8 мкмоль/л 23ГП1 регистрируемый токсический эффект оценивается как синергический. Повышение концентраций Сс1 и/или "^ТЬ приводит к аддитивному либо антагонистическому типам реакции клеток волосков тычинок. Определяющий вклад (75 %) в общую дисперсию показателя «снижение репродуктивной способности клеток волосков тычинок традесканции» вносит СсЗ. Синергический токсический эффект выявлен при воздействии на клетки волосков тычинок традесканции у-излучения в наиболее низких изученных дозах (0.01 и0.11 сГр) с 1эгТ11 в наименьшей из использованных концентраций (0.4 мкмоль/л).

Уровень мутагенного эффекта (рис. 15) при совместном действии изученных факторов в абсолютном большинстве случаев не превышает достоверно контрольный, и характер ответной реакции клеток оценивается как антагонистический. Лишь при содержании в растворе 0.009 мкмоль/л Сс1 и 0,4 мкмоль/л гагТИ зарегистрирована достоверно (р = 5.73-105) высокая частота соматических мутаций. Важно, что синергизм в отношении мутагенного эффекта снова выявлен на фоне низких концентраций в растворе

0,43 т 0,4 -0,35 --

0,1 0,05 0

гЫ р1

-Г > £ "

л * ■! к- 1 * ^ ? N 5' ' 1

ь г 1 1

1 1 Ш-Л Г £

т^з

-2

--1,3

О-

123456789 Рис. 14. Снижение репродуктивной способности (столбцы на диаграмме) клеток волосков тычинок традесканции (клон 02) и значения коэффициентов взаимодействия (квадраты на диаграмме) при совместном действии С с! с По оси абсцисс - вариант совместного действия С<1 в концентрациях 0.009 мкмоль/л (Ыв 1-3), 0.09 (4-6), 5 (7-9) и -Э2Т1п 0.4 мкмоль/Л (N4 1, 4, 7), 0.8 (2, 5, 6) 1.6 (3, 6, 9); по оси ординат (слева) - снижение репродуктивной способности клеток (инкремент, %); по оси ординат (справа) - значение коэффициента взаимодействия.

0,12 т

Я,

- 1,4

-- и

0,08

-0.02

0,06

0,02

0.04

■л-Д

0,8 0,6 0.4 ОД О -0,2 -0,4

23456789

Рис. 15. Частота соматических мутаций (столбцы на диаграмме) в клетках волосков тычинок традесканции (клон 02) и значения коэффициентов взаимодействия (квадраты на диаграмме) при сое местном действии Се1 с "ПИ. По ори абсцисс - вариант совместного действия Сс1 в концентрациях 0.009 (№ 1-3), 0.09 (4-6), 5 (7-9) мкмоль/л и амТЬ 0.4 (№1.4. 7), 0.8 (2. 5, 8). 1.6 (3, 6. 9) мкмоль/л; по осы ординат (слева) - частота соматических мутаций (инкремент, %); по оси ординат (справа) — значение коэффициента взаимодействия.

Сс1 и радионуклида. При этом гэ2ТЬ и совместное действие факторов вносят равный и статистически значимый (р < 0.001) вклад в формирование мутагенного эффекта, в отличие от Сс1, влияние которого оказалось недостоверным (р = 0.22).

Хотя указанные дозы действующих факторов при раздельном действии не вызывали достоверных биологических эффектов у растений по изученным показателям, они могли индуцировать дополнительные к образующимся спонтанно первичные повреждения ДНК. Это показали эксперименты с водными культурами традесканции и опыты с воздействием 2агТЪ и Сй на хлореллу в присутствии кофеина. Взаимодействие и реализация потенциальных повреждений ДНК могли стать одной из причин синергического увеличения выхода цитогенетических повреждений при совместном действии изученных факторов.

В диапазоне низких доз действующих факторов были обнаружены и антагонистические эффекты, проявляющиеся или в снижении частоты мутаций без замедления митотической активности клеток, или ускорении ростовых процессов растений.

Для условий наших экспериментов такую реакцию растений наблюдали при совместном влиянии на лук репчатый и традесканцию ^ТИ в концентрациях 0.4 или 0.8 мкмоль/л с 0.09 мкмоль/л Сй. Так, воздействие 0.4 мкмоль/л 2МТЪ с 0.09 мкмоль/л Сс1 привело к стимуляции роста корней лука через 30 и 72 ч, а 0.8 мкмоль/л 23гП1 с 0.09 мкмоль/л Сс1 - через 72 ч (рис. 13 А, Б). При действии на традесканцию 0.4 мкмоль/л И2ТИ совместно с 0.09 мкмоль/п Сс1 не регистрировали достоверного по отношению к кон-

тролю увеличения частоты соматических мутаций (рис. 15) и потери репродуктивной способности клеток волосков тычинок (рис. 14). Совместный эффект оценивался как антагонистический. При этом массовой гибели бутонов в соцветиях, которая могла привести к снижению регистрируемого числа повреждений волосков тычинок, не наблюдали. Заметим, что в описанных случаях доза хотя бы одного из факторов была достаточной для активации процессов восстановления повреждений ДНК. Об этом свидетельствуют данные, полученные при действии на клетки хлореллы г5гТЬ или Сс1 раздельно и с кофеином: существенные различия в уровнях токсического эффекта, регистрируемого в присутствии кофеина, и без него начинают наблюдаются для соответствующих вариантов с концентрациями 0.8 мкмоль/л 232ТИ и 0.09 мкмоль/л С<3.

Дальнейшее повышение интенсивности воздействия вызывает достоверные токсические эффекты, регистрируемые на уровне клеток, ткани и органа растений.

Представленные здесь результаты свидетельствуют о том, что совместное действие низких доз факторов может привести к достоверно высоким мутагенным и токсическим эффектам, которые не возникают при раздельном действии факторов в таких же дозах. Это затрудняет прогнозирование биологических последствий низкоинтенсивных радиационных и химических воздействий на основе методов физико-химического анализа, которые дают представление о содержании в объектах окружающей среды отдельных загрязняющих веществ. Подтверждение этого вывода было получено при оценке вклада в индукцию цитогенетических повреждений у растений тяжелых естественных радионуклидов и металлов при поступлении из сложных по ионному составу проб природных вод.

Глава 6. Оценка влияния содержащихся в природных водах

ионов металлов и тяжелых естественных радионуклидов на уровнь цитогенетических повреждений у растений

Результаты биотестирования проб талой воды из различающихся по уровню техногенного загрязнения районов г. Сыктывкар показали, что хотя данные химического анализа свидетельствуют о высоком содержании в большинстве образцов ионов никеля, цинка, марганца и железа, только последний указанный элемент оказывал достоверное влияние на выход соматических мутаций и снижение репродуктивной способности клеток волосков тычинок традесканции (табл. 5). Прямо пропорциональную зависимость мутагенного и токсического эффектов от концентрации железа в растворе можно объяснить тем, что хотя этот элемент является жизненно важным для растений, а высоких концентрациях он инициирует (Поливода и др., 1990) развитие свободно радикальных процессов в клетках и задерживает клеточный цикл (РЫ)рой е! а!., 1998). В то же время Сс1, содержание которого в пробах не превышало ПДК, был включен в качестве предиктора в модель, аппроксимирующую данные по частоте соматических мутаций. Учитывая результаты химического анализа, в данном случае обрат-

Таблица 5

Результаты пошагового регрессионного анализа

Модель | Введенные переменные I Р I Я1 I | Р \ к|/кг | р,

Для соматтеских мутаций

1 Ре 0.859 0.738 0.082 8.445 1/3 0.062

2 Ре,С(1 0.999 0.999 0.006 471.485 1/2 0.002

3 Fe.Cd.Ni 1.000 1.000 0.001 119.681 1/1 0.058

Для потери репродуктивной способности клеток

1_ Ре 0.807 0.651 0.009 5.589 1/3 0.099

Примечание: Здесь и в табл. 6 - значения критерия Фишера для включения переменной Р г 3.840; для исключения - ? % 2,710; Р-коэффициент корреляции; Я2 — коэффициент детерминации: 3,- стандартная ошибка П; к - число степеней свободы.

ную зависимость между регистрируемой у традесканции частотой мутаций и концентрацией Сй в пробах можно объяснить антагонистическим характером его взаимодействия с ¿п и № при поступлении в клетки растений.

Принципиальная возможность возникновения достоверных мутагенных и токсических эффектов при воздействии низких доз факторов радиационной и химической природы была подтверждена в экспериментах по биотестированию проб природных вод с территории радионуклидной аномалии, обусловленной складированием отходов радиевого производства и разливом пластовых вод, содержащих высокие концентрации ^а. Про-

Рис. 16. Частота аберрантных ана-телофаз в меристеме корней АШит эсЛоепо-рга&ит I.., проращиваемых в пробах из природных водных источников, расположенных на территории хранилища отходов радиевого производства (пос. Водный, Ухтинский р-н).

По оси абсцисс - номер пробы; по оси ординат - частота аберрантных ана-телофаз, инкремент, %.

бы (рис. 16) отобраны из истоков (N31,2) и устьев (3,4) ручьев, вытекающих из-под радиоактивных отходов и имеющих выход к р. Ухта, микроводоема (5), а также непосредственно из реки в 300 м вниз по течению от хранилища радиоактивных отходов (6), ключа, вытекающего в центральной части коренного берега р. Чуть (7), р. Ухта вне зоны антропогенного и техногенного влияния (8).

Несмотря на то, что содержание изученных радионуклидов не превышало установленного нормами радиационной безопасности (Нормы,.., 1999) допустимого уровня вмешательства, они достоверно влияли на час-

Результаты пошагового регрессионного анализа

Таблица 6

Введенные переменные

Коэффициенты уравнения регрессии

Характеристика качества аппроксимации

ГУ

Зг I I Е

Константа

Концентрация 2ИТЬ, мБк/л Концентрация ""и, мБк/л Концентрация 210Ро, мБк/л

Константа

Концентрация ¿п. мг/л Концентрация гми, мБк/л

Для частоты аберрантных клеток -0.32±0.2Э 7.51 ±0.77 0,13±0,02 -1.81 ±0.68 Для митотического индекса -143±0.12

53.01 ±3.48 0.88

-0.04t0.01

0,76 0.74 39,28 <0.001

0.37 136.43 <0,001

тоту аберраций хромосом в клетках корневых меристем шнитт-лука (табл. 6). При этом уровень мутагенного эффекта (рис. 16) достоверно (р < 0.001) превышал контроль при биотестировании образцов (1-7) стерритории ра-дионуклидной аномалии и зависел от содержания в пробах воды гагТЪ, гааи и г,0Ро (табл. 6). Уровень токсического эффекта увеличивался прямо пропорционально содержанию в пробах воды 258и и снижался при повышении содержания 2л в диапазоне концентраций (11.5±2.4 - 65.0±1.0 мкг/л), характерном для изученных проб. Обнаруженные зависимости объясняются, исходя из анализа (Гудков, 1986, 1990; Смирнова, 1989; Алексахин и др., 1990) химических свойств и биологической значимости ионов, включенных в качестве предикторов е модели, аппроксимирующие данные по митотической активности клеток и мутагенному эффекту.

Рассмотренные результаты убедительно свидетельствуют, что при совместном действии радионуклиды и металлы даже в низких концентрациях вносят достоверный и существенный вклад в формирование мутагенного и токсического эффектов. Поэтому при оценке опасности для экосистем радионуклидного и химического загрязнений следует применять комплексный, основанный на принципах экотоксикологии, подход.

Глава 7. Оценка влияния радиоэкологических факторов на уровень генетической изменчивости в ценопопуляции горошка мышиного на участке с повышенным уровнем естественной радиоактивности

Представленные в предыдущих разделах результаты позволили предположить, что именно возникновение синергических и антагонистических эффектов при сочетании низких доз действующих факторов приводит, в зависимости от радиоэкологической ситуации, к существенно разным (от стимуляции развития до угнетения и гибели) биологическим последствиям действия повышенного фона естественной радиоактивности на природные популяции растений и животных. В этих условиях важно определить, насколько уровень наблюдаемых биологических эффектов связан с влиянием факторов радиационной природы.

Поэтому на заключительном этапе исследований была поставлена задача оценить вклад ионизирующих излучений низкой интенсивности а генетическую изменчивость горошка мышиного из природной ценопопуляции, более 40 лет заселяющей стационар с повышенным фоном естественной радиоактивности.

Выбранный для исследований стационар расположен в пос. Водный Ухтинского р-на Республики Коми и представляет собой систему сопряженных элементарных геохимических ландшафтов, включающую при водораздельное пространство, первую и вторую надпойменные террасы, пойму р. Ухта. Радиоактивное загрязнение стационара обусловлено складированием привозных отходов уранового производства и этих же отходов после выщелачивания из них радия. В качестве контрольного выбран тот же участок, что и при проведении предыдущих исследований действия повышенного фона естественной радиоактивности на популяции горошка мышиного (Попова и др.. 1985). Он расположен в нескольких километрах от г. Сыктывкар в пределах водораздела рек Сысола и Вычегда, окружен лесным массивом, находится на значительном удалении от экспериментального стационара, но в той же почвенно-климатической зоне. Почвы участка подзолистые. Радиоактивное загрязнение исключено. Образцы растений горошка мышиного собирали с четырех приуроченных к основным элементам мезорельефа (склоны от первой (№ 1) и второй (3) надпойменных террас, первая (2) и вторая (4) надпойменные террасы) фаций в восточной части экспериментального стационара и на контрольном участке (табл. 7.8).

Максимальная мощность дозы в воздухе зарегистрирована (табл. 7) в пределах занимающей подчиненное положение парагенетической ассоциации: первой надпойменной террасы и ее склона. Для них характерны и более высокие удельные активности в приземном слое воздуха и короткоживущих продуктов его распада —г,вРо, г,*РЬ. В золе произрастающих здесь растений горошка мышиного обнаружены наибольшие концентрации радионуклидов уранового и ториевого рядов, в особенности ^Ра, ггяуь, гм^ь Характерно и высокое содержание долгожнвущих продуктов

Таблица 7

Характеристики радиоактивного загрязнения на экспериментальном стационаре и контрольном участке

Место сбора растений

.Содержание тяжелых естественных радионуклидов

в надземнсй массе горошка мышиного. иБк^г золы

гзоТЬ

"и

:0Ро

г,0РЬ

в приземном слое воздуха. Бк/м

»Йп

Ро 2"РЬ 21,в\

Мощность дозы в воздухе

мкЗв/ч"[ мкР/ч

Контрольный 03 участок

4.410.7 27.014.1 1.4Ю.З 1.4+0,3 2.2Ю.4

60±6

2.0М.7

0,11

1 1.510.2 21.012.1 204.1118.4 15.512.2 8.341.1

2 1.310.2 5.310.8 63.516.3 13.212.0 8.3И.1

3 0.910.1 3.810.6 45.915.9

4 1.010.1 4.7+0.7 50.017.5

16.4И.6 17.111.7 14.3±2,0 6.110.9 12.911.4 1.910.4

75661151 18201245 2731200 39130 134151335 22611246 287±266 51141

713 12±9

5.211.0

39351177 1752117392411212 35113 13±15 3.410.6 839142 173145 5914 29+19 20±21

58.00 3300

51.00 2400 16.00 758 1.62 73

Примечание: измерения проведены монитором радоновым А1рЬаСиаг4 (*) и ДРГ-01Т (**}.

Таблица 8

Частота цитогенетических нарушений а клетках корневой меристемы проростков семян горошка мышиного

из природных ценополуляций в 2003 г.

Место сбора растений Число проанализированных анэ-твлофэз, шт. Частота, %

анз-телофаз с повреэденияии повреждений всех типов аберраций фрагментов мостов отставших хромосом

хромосом одиночных! двойных одиночных! двойных

Контрольный участок 1 г

11865

8505 16842 11597 11269

1.4011.49

1.6011.34 1.06И.0Г 1.1711.03 1.2911.33

1.4411.51 0.8010.91 0,2310.49 0.0710.30 0.44+0.69 0.06±0.22 0.64+1.06

1.$411.34 1.1011.02* 1.2311.07 1.3211.34

1.33+1.23* 1.0010.95 0,87±0.98 0.9810.93

0.2510.49 0.1710.30 0.2110.53 0.2710.48

0.3010.56* 0.4010.59* 0.1810.42" 0.2210.54"

0.4010,81 0.13+0.33* 0.3010,62 0.3510.62

0.3810.66* 0.3010.56* 0.1810.47* 0.1410.37

0.3110.64 0.1010.31* 0.3610.61' 0.3510.66'

Примечание: отличив от контроля достоверно при р < 0.05 (а), < 0.01 (б), < 0.001 (в).

со

(л

распада игИп - "°Ро и г10РЬ. Вторая надпойменная терраса и склон от нее характеризуются меньшим уровнем радиационного фона, но удельные активности ^Рп и продуктов его распада в воздухе, как и мощность дозы, во много раз превосходят контрольные значения. Произрастающий здесь горошек мышиный выносит из почвы меньшие количества ТЕРН в сравнении с растениями двух расположенных ниже по рельефу фаций.

Частота аберраций хромосом в клетках корневой меристемы проростков семян горошка мышиного, собранных со склона от первой надпойменной террасы (№ 1), достоверно (р <0.05) превысила не только контрольное значение, но и частоты, полученные для трех других (2-4) экспериментальных выборок (табл. 8), которые не различались ни между собой, ни с контролем. Сопоставление данных цитогенетического (табл. 8) и радиохимического (табл. 7) анализов показало, что на средний уровень аберраций хромосом в клетках растений изученной ценопопуляции существенно влияет "°ТЬ. являющийся в данных условиях одним из дозообразующих радионуклидов (Таскаев, 1979). Именно этот изотоп вошел в качестве предиктора в линейную модель (табл. 9), описывающую изменение средней частоты аберраций хромосом для каждой из четырех экспериментальных и контрольной выборок, в зависимости от совокупности факторов радиационной природы. Достоверное повышение частоты аберраций хромосом в клетках меристем корней проростков семян горошка мышиного наблюдается (табп, 9) при содержании 204.1±18.4 мБк/г золы ^ТИ (табл. 7) в надземной массе растений. При более низкой удельной активности 230ТЬ статистически значимого повышения частоты структурных перестроек хромосом не обнаружено.

Высокие частоты двойных фрагментов, являющихся признаком радиационного воздействия, зарегистрированы в клетках корневых меристем проростков семян горошка мышиного со всех изученных фаций. Ведущим фактором формирования этого типа повреждений является ^На (табп. 9). Причем превышение верхнего предела кларкового значения содержания данного радионуклида в золе растений41 в 14 раз (табл. 7) ведет к возрастанию частоты двойных фрагментов в 3 раза (табл. 8).

Внешнее облучение в данной радиоэкологической ситуации выступает в качестве фактора отбора, увеличивая частоту эмбриональных летальных мутаций (табп. 9). Достоверно высокий уровень эмбриональных летальных мутаций наблюдается (рис. 17) у растений, заселяющих фации с гамма-фоном 2400 и 3300 мкР/ч (табп. 7).

Изучая реакцию природных популяций важно учитывать гетерогенность особей по чувствительности «действию разных факторов, которая определяет возможность выживания в неблагоприятных условиях среды. Именно поэтому вариабельность признаков в популяциях, заселяющих техногенно загрязненные территории, оказывается выше, чем е контроле, хотя средние величины регистрируемых эффектов могут не отличаться. Такая ситуа-

и 1.62-10-12 г/г (Виноградов, 1957) или 60 мБк/г, что соответствует контрольному значению в нашем эксперименте.

Результаты пошагового регрессионного анализа

Таблица 9

Введенные переменные

Коэффициенты уравнения регрессии

Характеристика качества аппроксимаи

ш:

проксимации

I Г I I

Константа

Для частоты аберраций хромосом 0,783±0,04

Концентрация 1МТЬ,мВк/гэопы 27.74 10^0.001 097 5'69'10

Для частоты хромосомных фрагментов Константа 0.129±0.039 ... , „

Концентрация ^а. мБк/г золы 2.07105±0.001 ив4

Для частоты эмбриональных летальных мутаций Константа 23.92±1,09

Мощность дозы в воздухе, мкЗв/ч 0.19±0.031

0.93

47.67 0.006

14.49 0.032

1,69 36.95 0,009

50 -------

р = 0 0+

р-0.003

40----

30 ■

10 -0

Контроль 12 3 4

Рис. 17. Частота эмбриональных летальных мутаций (по оси ординат, %) в бобах горошка мышиного с контрольного участка и экспериментального стационара с повышенным фоком естественной радиоактивности (1 - склон от первой надпойменной террасы, 2 - первая надпойменная терраса, 3 - склон от второй надпойменной террасы, 4 - вторая надпойменная терраса).

ция имеет место и в нашем случае. Дисперсии частот аберраций для всех экспериментальных выборок оказались выше контрольного значения (рис. 18). Причем пределы варьирования индивидуальных частот цитоге-нетических повреждений расширяются с повышением содержания (мБк/г золы) 250ТЬ в растении: (0.740 ± 0.038) + (0.004 ± 0.001) (Нг = 0.975; Э, = 0.05; Р = 104.47; рР = 0.002). Это означает, что инкорпорированный 230ТЬ является не только одним из ведущих факторов индуцированного мутагенеза, но и во многом определяет условия адаптации горошка мышиного в изученной радиоэкологической ситуации.

В работах многих ведущих радиоэкологов отмечена необходимость решения вопроса о реальном вкладе радиационно индуцированного мутаге-

Рис. 18. Дисперсия (по оси ординат) частоты аберрантных клеток (%) в корневой меристеме проростков семян горошка мышиного, заселяющего контрольный участок и экспериментальный стационар с повышенным фоном естественной радиоактивности {1 - склон от первой надпойменной террасы, 2 - первая надпойменная терраса, 3 -склон от второй надпойменной террасы, 4 - вторая надпойменная терраса).

неза в общий уровень генетических нарушений, наблюдаемых в природных популяциях. Нам удалось решить эту задачу и установить (табл. 10), что в изученной радиоэкологической ситуации вклад индуцированного факторами радиационной природы мутагенеза в уровень изменчивости горошка мышиного составляет 3-5 % и является достоверным. Поэтому им нельзя пренебречь при оценке адаптивных возможностей природных популяций растений, заселяющих территории с повышенным фоном естественной радиоактивности.

Таблица 10

Результаты оценки вклада индуцированного факторами радиационной природы мутагенеза в уровень генетической изменчивости растений горошка мышиного из природных ценопопуляций

Введенные переменные

Коэффициенты уравнения регрессии

Характеристика качества аппроксимации

Для частоты аберраций хромосом Константа 0.77±0.053 „

Концентрация '"ТЬ, мБк/г золы 2.82-10'3±0.001

Для частоты хромосомных фрагментов Константа 0.12±0,027 п „

Концентрация ^Ва, мБк/г золы 2.2Ю5±0.001

Для частоты эмбриональных летальных мутаций Константа 23.92±1.3Э

Мощность дозы в воздухе, мкЗв/ч 0.19±0.039

0.98 18,12 0,001

0.48 30.16 0.001

0.04 21.65 22.68 0.001

В целом, анализ представленных результатов показал, что в условиях природных биогеоценозов с повышенным уровнем естественной радиоактивности как внешнее обпучение в малых дозах, так и инкорпорированные тяжелые естественные радионуклиды оказывают достоверное влияние на уровень изменчивости в популяциях растений и определяют возможности их адаптации к конкретной радиоэкологической ситуации. Достоверный вклад повышенного фона естественной радиоактивности в мутационную изменчивость растений не позволяет пренебречь этим фактором при разработке норм защиты живой природы от радиационных воздействий.

Заключение

Современная экологическая ситуация характеризуется высокими темпами техногенного загрязнения среды обитания животных и растений, значительный вклад в которое вносят ионизирующие излучения и тяжелые металлы.

Представленные в настоящем исследовании результаты свидетельствуют о том, что синергический и антагонистический типы реакции растений являются закономерными событиями и с наибольшей вероятностью наблюдаются при совместном воздействии факторов радиационной и химической природы в дозах, характерных для слабо и средне загрязненных металлами экосистем и территорий с повышенным фоном естественной радиоактивности. Именно возникновение нелинейных эффектов, являющихся результатом как взаимодействия потенциальных повреждений ДНК, вызванных каждым фактором в отдельности, так и следствием фундаментального свойства всех открытых саморазвивающихся систем не пассивно воспринимать внешние сигналы, а усиливать или ослаблять их в зависимости от интенсивности, характера этих воздействий и тенденций развития самой системы, приводит к существенно разным (от стимуляции развития до угнетения и гибели) биологическим последствиям действия повышенного фона естественной радиоактивности на природные популяции растений и животных. В таком случае крайне важно решить вопрос о реальном вкладе радиационно индуцированного мутагенеза в общий уровень генетических нарушений, наблюдаемых в природных популяциях. Это позволит корректно оценить степень радиационного воздействия на биоту, разработать и применить комплексный подход к решению научных, управленческих и социальных задач, непосредственно связанных с оценкой экологического риска техногенного, в том числе радиоактивного, загрязнения.

Впервые проведенная нами количественная оценка вклада факторов радиационной и химической природы в индуцируемые биологические эффекты у растений из лабораторных и природных популяций показала, что при совместном действии радионуклиды и металлы даже в низких концентрациях статистически значимо влияют на уровень мутагенного и токсического эффектов. Радионуклиды вносят определяющий вклад в индукцию

генных мутаций и аберраций хромосом, токсический эффект может зависеть от концентраций и радионуклидов, и металлов,

В изученной радиоэкологической ситуации, характеризующейся повышенным содержанием а растениях радионуклидов уранового и ториееого рядов, экстремальными климатическими условиями (низкие среднегодовые температуры, короткий летний период, избыточная влажность и др.), инкорпорированный в надземной массе горошка мышиного И0ТЬ определяет не только уровень внутрипопуляционной цитогенетической изменчивости, но и, увеличивая вариабельность растений по чувствительности к внешним воздействиям, - возможности адаптации этого вида. Достоверно высокие частоты двойных фрагментов, являющихся признаком радиационного воздействия, зарегистрированы в клетках корневых меристем проростков семян горошка мышиного, заселяющего все исследованные фации стационара. Ведущим фактором формирования этого типа повреждений является ^Иа. Внешнее облучение выступает в качестве фактора отбора, увеличивая частоту эмбриональных летальных мутаций у растений. Отсюда следует, что не только внешнее у-облучение, но и инкорпорированные тяжелые естественные радионуклиды вносят достоверный вклад в наблюдаемый уровень генетической изменчивости природных популяций растений. Поэтому в случае оценки и прогноза последствий для биоты повышенного уровня естественной радиоактивности нельзя ограничиваться измерениями уровня внешнего гамма-фона и необходимо учитывать влияние дозообразующих тяжелых естественных радионуклидов, спектр которых определяется конкретной радиоэкологической ситуацией.

Полученные данные о достоверном влиянии ТЕРН на уровень изменчивости в природных популяциях растений и возможности их адаптации позволяют акцентировать внимание на необходимости изучения закономерностей реакции биологических систем на воздействие этих элементов. С этих позиций большое значение приобретают впервые полученные нами данные о действии мгТИ на растения. Показана способность И2ТИ при хроническом действии в низких концентрациях индуцировать генные мутации. С точки зрения экологического нормирования внимания заслуживает тот факт, что у различающихся систематическим положением растений достоверный токсический эффект как в случае кратковременного, так и хронического воздействия гзгТ11 наблюдался при одной и той же концентрации -1.6 мкмоль/л.

Детальное изучение зависимости уровня токсического эффекта у хлореллы от концентрации ^"ТЬ в растворе позволило установить наличие двух дозонезависимых участков в диапазоне низких доз, как это наблюдалось при действии Сй на хлореллу и у-из лучения на клетки волосков тычинок традесканции. Качественное сходство закономерностей формирования ответных реакций клеток, принадлежащих к разным таксономическим группам растений, на действие различающихся по физическим и химическим свойствам факторов - ^Тй, Сс! и у-излучения - свидетельствует о существовании универсальных эволюционно консервативных механизмов, в значительной степени определяющих характер ответной реакции клеток расте-

ний в диапазоне низких доз. В этом, наиболее важном с точки зрения практических приложений диапазоне, процессы восстановления повреждений ДНК играют значительную роль в снижении токсического и/или мутагенного эффектов гз*ТИ, Сс1 и -у-изпучения. Поэтому при изучении механизмов адаптации природных популяций к повышенному уровню естественной радиоактивности среды обитания необходимо обратить особое внимание на изменение скорости и эффективности репарационных процессов.

Выявленные общие закономерности реакции растений на воздействие различающихся физическими и химическими свойствами факторов должны существенно упростить решение вопросов экологического нормирования и позволяют с единых позиций оценивать опасность для биоты радиационных и химических воздействий.

С другой стороны, полученные нами данные, подкрепленные результатами исследований других авторов, убедительно свидетельствуют, что при разработке теоретических основ и практических методик защиты биоты необходимо учитывать следующие важные положения:

- нелинейность зависимости «доза - эффект» в случае как химических, так и радиационных воздействий;

- невозможность экстраполяции эффектов с высоких доз на низкие как в случае раздельного, так и совместного действия факторов на биологические системы;

- повышенную вероятность возникновения синергических и антагонистических эффектов при совместном действии низких доз факторов радиационной и химической природы.

Последнее положение дает веские основания считать целесообразным разработку системы ограничений радиационных воздействий на био-ту с учетом региональных особенностей, опирающуюся на одобренные на международном уровне рекомендации по защите окружающей среды, созданию которых в настоящее время уделяется значительное внимание со стороны ряда ведущих международных организаций.

Выводы

1. Синергический и антагонистический типы реакции биологических систем на совместное воздействие факторов радиационной и химической природы являются закономерными событиями и возникают с наибольшей вероятностью в диапазоне низких, характерных для условий окружающей среды, дозовых нагрузок. По этой причине реально наблюдаемый уровень биологических эффектов в природных популяциях, населяющих радиоактивно загрязненные территории, часто существенно отличается от прогнозируемого на основе результатов экспериментальных исследований раздельного действия факторов. В этих условиях как внешнее облучение в малых дозах, так и инкорпорированные тяжелые естественные радионуклиды оказывают достоверное влияние на уровень генетической изменчивости в популяциях и возможности их адаптации к конкретной радиоэкологической ситуации.

2. Синергические мутагенный и токсический эффекты могут возникать при совместном действии на растения факторов радиационной и химической природы в дозах, которые не являются остро токсичными, ко индуцируют дополнительные к образующимся спонтанно потенциальные повреждения ДНК. В диапазоне низких доз действующих факторов могут быть обнаружены и антагонистические эффекты, проявляющиеся или в ускорении ростовых процессов растений, или снижении частоты генных мутаций и аберраций хромосом без замедления митотической активности клеток. Для этого доза хотя бы одного из факторов должна быть достаточной для активации процессов восстановления повреждений ДНК, Увеличение интенсивности воздействия ведет к проявлению достоверных токсических эффектов, регистрируемых в зависимости от силы совместного влияния факторов, на уровне тканей, органов или организма в целом.

3. Форма зависимости мутагенного и токсического эффектов у растений от силы воздействия факторов радиационной и химической природы универсальна »характеризуется наличием трех участков, различающихся уровнем индуцируемых повреждений. В первом диапазоне регистрируемый биологический эффект не отпичается достоверно от спонтанного, в пределах второго — статистически значимо превышает его, оставаясь на неизменном уровне. В этих диапазонах дозовых нагрузок сохранение неизменного (не отличающегося от контроля или достоверно повышенного) уровня цитогенетических нарушений во многом связано с эффективностью восстановления повреждений ДНК. Дальнейшее увеличение интенсивности воздействия приводит к монотонному приращению отклика биологической системы.

4. Эндогенный глутатион имеет большее значение для предотвращения развития индуцируемых И2ТЬ свободнорадикальных процессов, чем при детоксикации Cd в качестве субстрата для образования фитохелати-нов. Ингибирование дополнительного синтеза глутатиона 1_-бутионин-3,Р-сульфоксимином (0.02 ммоль/л) повышает чувствительность клеток хлореллы как к действию концентраций 1.293-1.551 мкмоль/л 232Th, не влияющих на прирост биомассы водоросли за 24 ч, так и (1.595-2.155 мкмоль/л) достоверно снижающих его в среднем на 1.7 %. Роль глутатиона в снижении токсичности Cd для клеток хлореллы выявлена при концентрациях более 0.9 мкмоль/л, которые ингибируют прирост биомассы водоросли на 25-99 %.

5. Реакция растений (Tradescantia (клон 02), Allium сера) на кратковременное и длительное воздействие Cd при поступлении из водных растворов с разной концентрацией существенно различается. Низкие концентрации кадмия (0.009 мкмоль/л и 0.09 мкмоль/л) не являются остро токсичными и не индуцируют достоверных мутагенных эффектов, но при хроническом воздействии могут вызывать токсический эффект, ослабевающий с течением времени. В более высоких (б мкмоль/л) концентрациях Cd приводит к достоверным мутагенному и токсическому эффектам уже при кратковременном (30 ч) воздействии. С течением времени токсический эффект усиливается.

6. При поступлении из водных растворов с одинаковой концентрацией î3ITh вызывает однотипные реакции у различающихся систематическим положением растений — АШит сера, Tradescantia (клон 02) и Chtorella vulgaris. Воздействие 0.4мкмоль/л 23ГГЬ не приводит к статистически значимому повышению уровня мутагенного и токсического эффектов. При содержании в растворе 1.6 мкмоль/л îMTh индуцирует достоверный токсический эффект. В концентрации 0.8 мкмоль/л 2"Th вызывает повышение частоты ана-телофаз с отставшими хромосомами и доли метафаз с колхи-циновыми митозами в корневой меристеме АШит сера. При этом содержании игТЬ зарегистрирована стимуляция роста корней АШит сера. Выявленный эффект не связан с феноменом гормезиса, поскольку обусловлен достоверным увеличением по сравнению с контролем длины клеток в база ль ной части зоны растяжения корня и не является следствием возрастания скорости деления или пула пролиферирующих клеток.

Мутагенный эффект î52Th проявляется при хроническом воздействии на клетки волосков тычинок Tradescantia (клон 02) и увеличивается пропорционально концентрации радионуклида в растворе.

7. Результаты биотестирования с использованием Tradescantia (клон 02) и АШит schoenoprasum образцов природных вод из контрастных по типам загрязнения районов показали, что при совместном действии тяжелые естественные радионуклиды и/или металлы даже в низких концентрациях достоверно влияют на формирование мутагенного и токсического эффектов. Радионуклиды вносят определяющий вклад в индукцию генных мутаций и аберраций хромосом, токсический эффект может зависеть от концентраций и радионуклидов, и металлов. Поэтому при оценке опасности для экосистем радионуклидного и химического загрязнений следует применять комплексный, основанный на принципах экотоксикологии, подход. На первом этапе целесообразно использовать методы биологического тестирования, позволяющие получить интегральную оценку действия присутствующих в природных средах компонентов. Если результаты биотестов оказываются положительными, следует прибегнуть к более детальным исследованиям, включая биологический мониторинг, физико-химический анализ, выявление геохимических барьеров, определение параметров миграции загрязняющих веществ в конкретном ландшафте. Сопоставление данных биологического тестирования и результатов физико-химического анализа позволит выявить факторы, интенсивность воздействия которых следует контролировать в первую очередь,

8. Количественно оценен вклад ионизирующих излучений низкой интенсивности в генетическую изменчивость Vicia сгасса из природной цено-лолуляции, более 40 лет заселяющей стационар с повышенным фоном естественной радиоактивности. В данной радиоэкологической ситуации внешнее облучение выступает в качестве фактора отбора, увеличивая частоту эмбриональных летальных мутаций у растений, а инкорпорированный в надземной массе горошка мышиного ÎJt>Th определяет не только уровень внутрипопуляционной цитогенетической изменчивости, но и, увеличивая вариабельность растений по чувствительности к внешним еоз-

действиям, -возможности адаптации этого вида. Ведущим фактором, обусловливающим высокий уровень двойных фрагментов, являющихся признаком радиационного воздействия, является инкорпорированный ^Яа. Отсюда следует, что в случае оценки и прогноза последствий для биоты повышенного фона естественной радиоактивности нельзя ограничиваться измерениями уровня внешнего гамма-излучения и необходимо учитывать влияние дозообразующих тяжелых естественных радионуклидов, спектр которых определяется конкретной радиоэкологической ситуацией.

Слисок основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Евсеева Т.И., Шершунова В, И, Частота соматических мутаций в волосках тычинок Тгадевсапба (клон 02) при облучении в диапазоне малых доз гамма-лучей // Воздействие радиоактивного загрязнения на наземные экосистемы в зоне аварии на Чернобыльской АЭС (1986-1996 гг,). -Сыктывкар, 1996. -Т. 2. - С. 56-63. - (Тр- Коми НЦ УрО РАН; N9 145).

2. ЕвсееваТ.И., Зайнуллин В.Г. Сочетанное действие хронического гамма-облучения и нитрата тория-232 на традесканцию (клон 02) в условиях водной культуры И Радиационная биология. Радиоэкология, 1998. - Т. 5, Ыг 6. - С. 856-864.

3. Евсеева Т.И., Зайнуллин В.Г. Использование биологических тест-систем в мониторинге состояния окружающей среды // Человек на севере: условия и качество жизни. - Сыктывкар, 1999. — 296 с. (Материалы науч.-аналит. конф., 27 - 28 октября 1998 г, Сыктывкар). - С. 233-237.

4. Гераськин С.А., Евсеева Т.И. Механизмы формирования ответной реакции клетки на сочетанное действие факторов разной природы // Сочетанное действие факторов радиационной и нерадиационной природы на растительные и животные организмы. — Сыктывкар, 2000. — С. 6-12. — (Тр. Коми науч. центра УрО РАН, № 6).

5. Евсеева Т.И., Гераськин С.А. Раздельное и в сочетании с солями тяжелых и щелочных металлов действие тория-232 на традесканцию (клон 02) П Радиационная биология. Радиоэкология, 2000. - Т, 40, вып. 5. -С. 456-461.

6. Евсеева Т.Н., Гераськин С.А. Цитогенетические эффекты раздельного и совместного действия нитратов тория-232 и калия на традесканцию (клон 02) // Цитология, 2000. - № 8. - С. 181-186.

7. Евсеева Т.И., Зайнуллин В.Г, Исследование мутагенной активности атмосферного воздуха и снежного покрова г. Сыктывкар по тесту соматических мутаций в волосках тычинок традесканции (клон 02) // Экология, 2000. - № 5. - С. 343-349.

8. Евсеева Т.И., Гераськин С.А. Использование традесканции для оценки токсичности, тератогенности и мутагенности проб талой воды, содержащих тяжелые металлы // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности: Тр. Междунар. экол. конгресса (Санкт-Петербург, 14-16 июня 2000 г). В 2-х томах. - СПб.. 2000. - Т. 2. - С. 178-181.

9. Евсеева Т.И., Гераськин С.А., Храмова Е.С. Цитогенетические эффекты раздельного и совместного действия нитратов тория-232 и кадмия на клетки корневой меристемы Allium сера // Цитология, 2001, -Т. 40, Na 8. -С. 365-370.

10. Евсеева Т.И., Гераськин С.А. Сочетайное действие факторов радиационной и нерадиационной природы на традесканцию (клон 02). - Екатеринбург: УрО РАН. 2001. -156 с.

11. Евсеева Т.И. Оценка последствий техногенного загрязнения среды обитания на состояние биогеоценозов И Вестн, Коми НЦ УрО РАН, 2001. -Вып. 18. - С. 21-31,

12. Евсеева Т.И., Гераськин СА, Храмова Е.С. Ци то генетические эффекты сочетай но го действия тория-232 с ионами щелочных и тяжелых металлов на меристематические клетки растений И Радиоэкология. Охрана окружающей среды, 2001.-С. 143-148, - (Вестн. Науч. Ядерного центра республики Казахстан; Вып. 3).

13. Гераськин С.А., Дикарев В.Г., Удалова А.А., Евсеева Т.И. Проблема оценки индуцированных низкодозовым облучением цитогенетических эффектов у растений И Современные проблемы радиобиологии, радиоэкологии и эволюции: Тр. междунар. конф., посвящ. 100-летию со дня рождения Н.В. Тимофеева-Ресовского. - Дубна, 2001. - С. 182-190.

14. Evseeva T.I., Khramova E.S. Action of low concentrations of "2Th on Tradescantia (clone 02) and meristematic root tip cells of Allium сера H High levels of natural radiation and radon areas: radiation doses and health effects: Proc. V Intern. Conf. (Munich September 4-7.2000). - Bremenhaven (Germany), 2002. — Vol. 2. P. 489-491.

15. Евсеева Т.И., Гераськин C.A., Храмова Е.С. Комплексная оценка радиоактивного и химического загрязнения водоемов & районе расположения хранилища отходов радиевого промысла // Экология северных территорий России: проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения: Матер, междунар. конф. (17-22 июня, 2002 г.). В 2-х томах. - Архангельск, 2002. - Т. 2. - С. 130-134.

16. Евсеева Т.И., Гераськин С.А., Фролова Н.П., Храмова Е.С. Использование природных популяций Taraxacum officinale Wig g. для оценки состояния техногенно нарушенных территорий // Экология, 2002. — № 5. -С. 379-382.

17. Гераськин С А., Дикарев В.Г., Евсеева Т.И,, Удалова А.А., Дикаре-ва Н.С„ Васильев Д.В, Цитогенетические эффекты слабых и сочетанных воздействий у растений в связи с проблемой экологического нормирования // Вестник Национального Ядерного Центра Республики Казахстан. Радиоэкология. Охрана окружающей среды, 2002. - Вып. 3, - С. 90-96.

18. Евсеева Т.И., Гераськин С.А. Закономерности индукции цитогенетических нарушений в клетках меристем растений при сочетанном действии тяжелых естественных радионуклидов, тяжелых и щелочных металлов // Радиационная биология. Радиоэкология, 2003. — Т. 43, № 4. - С. 489-494,

19. Евсеева Т.И., Гераськин С.А., Храмова Е.С. Сравнительная оценка ранних и отдаленных реакций клеток растений на кратковременное и хро-

ническое сочетанное воздействие J,ITh и Cd // Цитология и генетика, 2003. -№ 3. - С. 61-66.

20.Tatiana I. Evseeva, Stanislav A. Geras'kin, Ida 1. Shuktomova. Genotoxicity and toxicity assay of water sampled from a radium production industry storage cell territory by means of Alii urn-test // Journal of Environmental Radioactivity, 2003. - Ma 68. - P. 235-248.

21.Гераськин C.A., Дика рев В.Г„ Евсеева Т.И., Удало ва А.А., Дикаре-ва Н.С., Васильев Д.В. Закономерности индукции цитогенетических эффектов у растений в условиях низкодоэовых и сочетанных воздействий в связи с проблемой экологического нормирования // Радиоэкологические и биологические последствия низкоинтенсивных воздействий. - Сыктывкар, 2003. - С. 169-190. - (Тр. Коми науч. центра УрО РАН, № 172.).

22. Evseeva Т., Khramova Е. The use of Tradescantia (clon 02) for combined effects of ionizing radiation, 232Th and KNO, study // Modern problems of bioindication and biomonitoring. Exig. XI intern. Symp. on bioindicators. - Syktyvkar, 2003.-P. 114-121.

23. Евсеева Т.Н., Гераськин C.A., Шуктомова И.И., Храмова Е.С. Комплексное изучение радиоактивного и химического загрязнения водоемов в районе расположения хранилища отходов радиевого промысла И Экология, 2003. - № 3. - С. 176-183.

24. Евсеева Т.Н., Гераськин С.А., Шуктомова И.И., Таскаев А.И. Оценка гено- и цитотоксичности химического и радионуклидного загрязнения водоемов в районе проведения подземного ядерного взрыва на севере Пермской области // Радиационная биология. Радиоэкология, 2004. —Т. 44, № 6. — С. 684-693.

25. Гераськин С.А., Васильев Д.В., Дикарев В.Г., Удалова А.А., Евсеева Т.И., Дикзрева Н.С., Зимин В.Л. Оценка методами биоиндикации техногенного воздействия на популяции Pinus sylvestris L. в районе предприятия по хранению радиоактивных отходов И Экология, 2005. - № 4. - С. 1-11.

26. Evseeva T.I., Geras'kin S.A, Shuktomova 1.1., Taskaev A.I. Genotoxicity and cytotoxicity assay of water sampled from the underground nuclear explosion site in the north of the Perm region (Russia) H Journal of Environmental Radioactivity. 2005. - Vol. 80. - P. 59-74.

27. Evseeva T.I., Geras'kin S.A., Taskaev A.I., Shuktomova l.l. Genotoxicity and cytotoxicity assay of water sampled from natural reservoirs with contrast level of radioactive and chemical contamination // Radioprotection, 2005. — Vol. 40, - Suppl. 1. - P. 205-210.

28. Geras'kin S., Kim J., EvseevaT.,OudalovaA., DikarevV., plants ecotoxi-cology. A case of low doses and multi-poilutant exposure // Radioprotection, 2005. - Vol. 40. - Suppl. 1. - P. 157-162.

29.0udalovaA.A., Geras'kin S.A., DikarevV.G., Evseeva T.I., Dikareva N.S. Cytogenetic effects induced by tow level radiation in plant meristems / Change and continuity in radiation protection. Proceedings of the Seventh International Symposium of the Society for Radiological protection (Cardiff, UK). - Cardiff, 2005, - P. 356-361.

30. OudalovaA.A., Geras'kin S.A., EvseevaT.I., Dikarev V.G., Vasiliev D.V. An assessment of the effect of radiation on plants: specific features of low-level exposure/The 2nd International Conference on Radioactivity in the Environment, proceedings (Osteras, Norway). - Osteras, 2005. - P. 158-161.

31. Geras'kin S,A„ Dikarev V.G., Dikareva N.S., OudalovaAA, VasiliyevO.V., Evseeva T.t. Cytogenetic effects in plants after weak and combined exposures and a problem of ecological standardization // Equidosimetry. Ecological Standardization and Equidosimetry for Radioecology and Environmental Ecology. / Eds. Brechignac. F.; Desmet, G. - NATO Security Through Science Series: Springer, 2005. Sub-Series C: Environmental Securtfy. - Vol. 2. - P. 245-255.

32. Евсеева Т.И., Майстренко T.A., Гераськин C.A., Белых Е.С., Казакова Е.8. Токсические и цитогенетические эффекты, индуцируемые у Allium сера низкими концентрациями Cd и MlTh // Цитология и генетика, 2005. -Т. 39. - На. 5. - С. 73-80.

33. Евсеева Т.И., Гераськин С.А., Белых Е.С., Таскаев А.П., Майстренко Т А. Закономерности реакции растений на совместное действие радионуклидов и металлов // Вопросы радиационной безопасности, 2006. - № 3,-С. 28-40.

Тираж 100

Заказ 40(06)

Информационно-издательская группа Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН 167982, г Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 28

Информация о работе

Евсеева, Татьяна Ивановна
доктора биологических наук
Обнинск, 2006
ВАК 03.00.01

Автореферат

Похожие работы