Эффекты хронического и острого радиационного воздействия у пресноводного моллюска Lymnaea stagnalis L.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эффекты хронического и острого радиационного воздействия у пресноводного моллюска Lymnaea stagnalis L.

Д.И. Гудков 1, Е.В. Дзюбенко 1, Т.В. Пинкина 2,

Н.Л. Шевцова 1, Л.С. Чепига 3, А.Б. Назаров 4

1 Институт гидробиологии НАН Украины, Киев

2 Житомирский национальный агроэкологический университет, Житомир

3 Национальный авиационный университет, Киев

4 ГСП «Чернобыльский спецкомбинат» МЧС Украины, Чернобыль

Пресноводные моллюски являются удобными объектами как экспериментальных радиационно-токсикологических исследований, так и радиоэкологического мониторинга водных экосистем, находящихся в условиях влияния предприятий ядерного топливного цикла. Благодаря широкому распространению, способности накапливать практически все радионуклиды, присутствующие в среде обитания, а также высокой биомассе, этой группе беспозвоночных принадлежит важная роль в процессах биогеохимической миграции радиоактивных веществ в пресноводных экосистемах.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС водные объекты, оказавшиеся на пути формирования радиоактивного выброса, подверглись интенсивному радионуклидному загрязнению. При этом экосистемы замкнутых водоемов Чернобыльской зоны отчуждения (ЧЗО), несмотря на 26-летний период минувший после аварии, продолжают характеризоваться высокими уровнями содержания радиоактивных веществ во всех компонентах. Основным дозообразующим радионуклидом для моллюсков ЧЗО в настоящее время является 90Sr - химический аналог кальция, накапливающийся в раковинах и в значительных количествах присутствующий в донных отложениях водоемов. Концентрирование радиоактивных веществ водной биотой может обуславливать критические дозовые нагрузки на организмы, обладающие высокими коэффициентами накопления радионуклидов и/или обитающие в экологических зонах с повышенными уровнями внешнего облучения. Особый интерес для современной радиобиологии представляет сравнительный анализ эффективности острого и хронического радиационного воздействия.

Материал и методы исследований. Основные исследования выполнены в период 1998-2010 гг. на следующих водоемах ЧЗО: оз. Азбучин, Яновский затон, водоемы Красненской поймы р. Припяти - Красненская старица, озера Глубокое и Далекое-1, а также реки Уж (с. Черевач) и Припять (г. Чернобыль). В качестве контрольных водоемов для сравнительного анализа цитогенетических, гематологических, морфометрических и репродуктивных показателей использовали ряд озер с фоновыми уровнями радионуклидного загрязнения, расположенных в г. Киеве и его окрестностях - Вырлица, Голосеевское, Опечень, Пидбирна, а также реки Тетерев (г. Житомир) и Альта (г. Переяслав-Хмельницкий). Объектом исследований был брюхоногий моллюск прудовик обыкновенный (Lymnaea stagnalis L.).

Измерение удельной активности 137Cs, 90Sr, 238Pu, 239+240Pu, 241Am в пробах моллюсков и мощности внешней дозы -излучения выполняли при помощи методик изложенных в работах [1-3], оценку мощности поглощенной дозы от инкорпорированных в тканях и содержащихся в воде радионуклидов проводили по методике [4]. Острое облучение синкапсул и взрослых особей моллюсков выполняли на установке ИЛУ-6 в диапазоне доз 3-300 Гр. Мощность поглощенной дозы составляла 0,69 Гр/сек.

Для цитогенетических исследований использовали эмбрионы прудовика обыкновенного преимущественно на стадии трахофоры и велигера. Фиксацию материала осуществляли на месте отбора проб смесью этилового спирта и ледяной уксусной кислоты (3:1). Окраску цитологических препаратов выполняли 1 % ацетоорсеином. Анализ частоты аберраций хромосом в препаратах проводили в клетках на стадиях анафазы и телофазы митоза [5]. Гематологические исследование выполняли с использованием мантийной жидкости взрослых особей моллюсков, фиксированной раствором Карнуа. Препараты окрашивали азур-эозином по Романовскому-Гимза [6]. Анализ соотношения различных групп гемоцитов и их классификацию выполняли по методике [7].

Результаты исследований. Мощность поглощенной дозы для взрослых моллюсков за счет внешних и внутренних источников облучения за период исследований регистрировали в следующих диапазонах: оз. Глубокое - 350-420; оз. Азбучин - 55-78; оз. Далекое­1 - 35-58; Яновский затон - 6-12; р. Припять - 0,5-0,7; р. Уж - 0,3-0,5; контрольные водоемы - 0,03-0,04 мкГр/ч.

Рис. 1. Частота аберрантных анафаз у эмбрионов моллюсков в водоемах ЧЗО и озерах г. Киева в период 1998-2010 гг.

Выполненные цитогенетические исследования свидетельствуют о повышенном уровне аберраций хромосом у прудовиков из замкнутых водоемов ЧЗО по сравнению с моллюсками контрольных озер. За период исследований наибольшие значения зарегистрированы для беспозвоночных оз. Глубокое, в клетках которых частота аберраций в 2001 г. достигала 27 %, что более чем в 10 раз превышает уровень спонтанного мутагенеза для водных организмов. Средние значения для моллюсков из наиболее загрязненных озер Зоны отчуждения составляли около 23, 21, 20 и 18 %, соответственно для озер Азбучин, Далекое­1, Глубокое и Яновского затона. Эмбрионы моллюсков в реках Уж и Припять характеризовались сравнительно невысоким средним уровнем аберрантных клеток, который составлял соответственно 2,5 и 3,5 %. Для моллюсков контрольных озер этот показатель равнялся в среднем около 1,5 %, с максимальными значениями до 2,3 % (рис. 1).

На протяжении 1998-2010 гг. отмечена тенденция снижения частоты хромосомных аберраций в эмбрионах прудовиков, отобранных в замкнутых водоемах ЧЗО. Выполненный регрессионный анализ имеющихся данных позволил получить прогнозные оценки снижения частоты хромосомных аберраций у моллюсков исследуемых водоемов до спонтанного уровня (2,0-2,5%) [8], присущего водным организмам в условиях естественного радиационного фона. По нашим данным в озерах, расположенных на территории левобережной поймы р. Припяти (оз. Глубокое и оз. Далекое-1), наиболее загрязненной радионуклидами, спонтанный уровень частоты хромосомных аберраций может быть достигнут в 60-х-70-х годах, а в Яновском затоне и оз. Азбучин - в 20-х-30­х годах текущего столетия.

Наиболее высокую достоверность имеет экспоненциальная экстраполяция данных, полученных за 13-летний период для моллюсков оз. Азбучин (R2 = 0,758). Результаты вычислений для других замкнутых водоемов имеют невысокую достоверность аппроксимации (R2 = 0,196, 0,384 и 0,488, соответственно для озер Глубокое, Далекое-1 и Яновского затона) однако заслуживают внимания, поскольку прогноз частоты хромосомных аберраций для Яновского затона подобен с таковым для оз. Азбучин. А поскольку эти водоемы имеют сходные тенденции процессов самоочищения, это может влиять на динамику частоты хромосомных аберраций у моллюсков. В озерах Глубокое и Далекое-1 более медленные темпы снижения частоты хромосомных аберраций могут быть обусловлены особенностями динамики удельной активности радионуклидов в компонентах экосистем, свидетельствующие о стагнации автореабилитационных процессов на одамбированной территории левобережной поймы р. Припяти.

Отмечена положительная корреляция между частотой аберрантных анафаз и мощностью поглощенной дозы у эмбрионов прудовика обыкновенного в водоемах ЧЗО. Дозовая зависимость количества аберрантных клеток в эмбриональных тканях моллюсков наиболее соответствует степенной функции (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость частоты аберрантных анафаз в эмбриональных тканях прудовика обыкновенного от мощности поглощенной дозы в водоемах ЧЗО

Рис. 3. Зависимость частоты аберрантных анафаз в эмбриональных тканях прудовика обыкновенного от поглощенной дозы при остром облучении

ионизирующий излучение радиационный моллюск

Острое экспериментальное облучение эмбрионов прудовика обыкновенного на стадии трахофоры в диапазоне поглощенной дозы 3-300 Гр вызывает степенной рост количества хромосомных аберраций от 11,2 до 63,4% (рис. 3). Частота аберрантных анафаз у эмбрионов моллюсков в контроле составила 1,2% и не превышала спонтанный уровень хромосомного мутагенеза. Полулетальной для эмбрионов прудовиков на стадии трахофоры была доза облучения 30 Гр, а поглощенная доза 60 Гр вызывала полную гибель эмбрионов в течение 20 сут. после облучения. Полулетальная доза облучения для взрослых особей моллюсков составила 120 Гр.

В клетках эмбрионов из наиболее загрязненных водоемов ЧЗО среди основных типов хромосомных аберраций наблюдали преобладание мостов над фрагментами, а также образование значительного количества множественных аберраций, что считается специфическим проявлением биологического воздействия ионизирующего излучения (рис. 4). В этом отношении показательны эмбрионы моллюсков из рек Уж и Припять, отобранные в пределах ЧЗО, которые несмотря на практически фоновые уровни радионуклидного загрязнения, также характеризуются незначительным количеством клеток с множественными аберрациями. У моллюсков из всех контрольных водоемов наличие клеток с множественными аберрациями не регистрировали.

Описанную тенденцию также подтверждают данные экспериментального облучения моллюсков, в результате которого происходил рост выхода аберрантных мостов и множественных аберраций с повышением поглощенной дозы. При действии острого облучения около 55-80 % общего количества аберраций приходилось на мосты, 10-40% - на фрагменты и 4-17% составили множественные аберрации. В контроле общее количество мостов и фрагментов составило, соответственно 60 и 40%, а множественные аберрации отсутствовали (рис. 5).

Рис. 4. Соотношение основных типов хромосомных аберраций в клетках эмбрионов прудовика обыкновенного в водоемах с различным уровнем радионуклидного загрязнения в период 1998-2010 гг.

Рис. 5. Соотношение основных типов хромосомных аберраций в клетках эмбрионов прудовика обыкновенного при действии острого экспериментального облучения.

Сравнительный анализ состава форменных элементов гемолимфы прудовика обыкновенного показал, что у моллюсков из замкнутых водоемов ЧЗО доля мертвых агранулоцитов достигает 43,8 %, а количество фагоцитов - 45,0 %. Аналогичные показатели у моллюсков из контрольных водоемов были значительно ниже и составили соответственно в среднем около 5,3 и 4,2 %. Количество молодых амебоцитов у моллюсков ЧЗО было, наоборот, невысоким - до 20 %, в то время как у моллюсков контрольных водоемов достигало 89,6 % (рис. 6). В целом, анализ форменных элементов мантийной жидкости исследованных прудовиков, свидетельствует о существенном изменении состава гемолимфы моллюсков из наиболее загрязненных озер ЧЗО.

Рис. 6. Состав форменных элементов мантийной жидкости прудовика обыкновенного в водоемах ЧЗО и контрольных водоемах в 2007-2008 гг.

На протяжении 2009-2010 гг. анализировали морфологические показатели и наличие аномалий кладок прудовика обыкновенного: деспирализацию или слабую спирализацию тяжа с яйцевыми капсулами; многорядность размещения яйцевых капсул в синкапсуле; рыхлое размещение яйцевых капсул; сдвоенные яйцевые капсулы; многозиготность яйцевых капсул; яйцевые капсулы без зигот; зиготы вне синкапсул; яйцевые капсулы больших или меньших размеров, а также неправильной формы (табл.).

Таблица. Морфологические показатели и тератогенные нарушения кладок прудовика обыкновенного в водоемах ЧЗО в 2009-2010 гг.

* - анализ не проводили

В результате выполненных исследований отмечено, что морфологические показатели кладок моллюсков из водоемов ЧЗО достоверно ниже контрольных. В импактных водных объектах зарегистрирован высокий процент следующих типов аномалий: отсутствие яйцеклетки в яйцевой капсуле; слабая спирализация тяжа с яйцевыми капсулами; многозиготность яйцевых капсул; однорядное размещение яйцевых капсул; малое количество яйцевых капсул в синкапсуле; наличие яйцеклеток и яйцевых капсул за пределами синкапсулы. Соотношение количества нарушений в строении кладок прудовиков из водоемов ЧЗО в сравнении с контрольной группой в среднем составляет 1:12.

В замкнутых водоемах ЧЗО отмечен повышенный процент аномальных раковин прудовиков с различными формами искривления последнего завитка, чаще всего в виде ступенчатой (до 0,5 см) деформации, возникающей, как правило, на втором году жизни моллюсков. В Яновском затоне доля аномальных раковин была максимальной и составила 58,3 %, в оз. Глубокое - 48,9 %, в Красненской старице (на территории одамбированного участка) - 25,0 %, в оз. Далекое-1 - 10 %, в оз. Азбучин - 2,8 %, в р. Припять (г. Чернобыль) - 1,1 %. В 5-ти контрольных водных объектах аналогичные аномалии или отсутствовали, или не превышали 0,7 %. В настоящее время нами не зарегистрировано достоверной зависимости между количеством деформированных раковин в водоеме и мощностью поглощенной дозы облучения. Мы можем лишь констатировать высокий уровень аномалий раковин в наиболее загрязненных радионуклидами водоемах ЧЗО. Одним из возможных объяснений наблюдаемого явления могут быть повышенные дозы внешнего облучения, которые моллюски получают в период зимовки в донных отложениях водоемов.

Выводы

1. Радиобиологические исследования прудовика обыкновенного в водоемах ЧЗО свидетельствуют о негативном воздействии хронического низкодозового облучения на организм моллюсков, проявляющемся на цитогенетическом и соматическом уровне, а также отражающемся на репродуктивной функции.

2. Мощность поглощенной дозы облучения для брюхоногих моллюскив, обитающих в приповерхностном слое водной толщи литорали и сублиторали водоемов ЧЗО, на протяжении 2000-2011 гг. регистрировали в диапазоне 0,3-390,0 мкГр/час. Максимальные уровни отмечены для озер одамбированного участка левобережной поймы р. Припяти - Глубокое и Далекое-1, минимальные - для проточных водных объектов - рек Уж и Припять. Основным дозообразующим радионуклидом для моллюсков ЧЗО является 90Sr, на долю которого приходится до 95-98 % внутренней мощности поглощенной дозы;

3. Данные цитогенетических и гематологических исследований продемонстрировали высокий уровень аберраций хромосом в клетках эмбрионов, а также существенное изменение состава гемолимфы взрослых особей моллюсков в наиболее загрязненных радионуклидами водных объектах ЧЗО. Частота аберраций хромосом в тканях моллюсков, обитающих в замкнутых водоемах, многократно превышает уровень спонтанного мутагенеза для водных организмов и может быть проявлением радиационно-индуцируемой генетической нестабильности.

4. Острое экспериментальное облучение эмбрионов прудовика обыкновенного на стадии трахофоры в диапазоне поглощенной дозы 3-300 Гр вызывает степенной рост количества хромосомных аберраций от 11 до 63%. Полулетальной для эмбрионов прудовиков на стадии трахофоры была доза облучения 30 Гр, а поглощенная доза 60 Гр вызывала полную гибель эмбрионов в течение 20 сут. Полулетальная доза облучения для взрослых особей моллюсков составила 120 Гр.

5. Эффективность влияния малых хронических доз ионизирующего излучения на эмбрионы прудовика обыкновенного в водоемах ЧЗО по критерию частоты выхода аберрантных клеток более чем на порядок величин превышает влияние кратковременного острого экспериментального облучения.

6. Прудовик обыкновенный может быть использован в качестве одного из референтных видов гидробионтов при разработке положений охраны окружающей среды от ионизирующего излучения с использованием основанного на биоте стандарта.

Список использованной литературы

[1] Гудков Д.И., Деревец В.В., Кузьменко М.И., Назаров А.Б. Функционально-экологические и возрастные закономерности концентрирования радионуклидов пресноводными моллюсками зоны отчуждения Чернобыльской АЭС // Радиационная биология. Радиоэкология. - 2001. - Т. 41, № 3. - С. 326-330.

[2] Гудков Д.И., Назаров А.Б., Дзюбенко Е.В. и др. Радиоэкологические исследования пресноводных моллюсков в Чернобыльской зоне отчуждения // Радиационная биология. Радиоэкология. - 2009. - Т. 49, № 6 - С. 703-713.

[3] Гудков Д.И., Дзюбенко Е.В., Назаров А.Б., Каглян А.Е., Кленус В.Г. Пресноводные моллюски в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС: динамика содержания радионуклидов, дозовые нагрузки, цитогенетические и гематологические исследования // Гидробиологический журнал. - 2010. - Т. 46, № 3. - С. 86-104.

[4] Handbook for assessment of the exposure of biota to ionising radiation from radionuclides in the environment / Eds. J. Brown, P. Strand, A. Hosseini, P. Bшrretzen. - Project within the EC 5th Framework Programme, Contract № FIGE-CT-2000-00102. Stockholm: Framework for Assessment of Environmental Impact, 2003. 395 p.

[5] Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. - М.: Колос, 1974

[6] Majone F., Brunetti R., Gola I., Levis A.G. Persistence of micronuclei in the marine mussel, Mytilus galloprovincialis, after treatment with mitomycin // Mutat. Res., 1987. - Vol. 191, № 3-4. - Р. 157-161.

[7] Дзюбо С.М., Романова Л.Г. Морфология амебоцитов гемолимфы приморского гребешка // Цитология. - 1992. - Т. 34, № 10 - С. 52-58.

[8] Tsytsugina V.G. An indicator of radiation effects in natural populations of aquatic organisms // Radiat. Protect. Dosim. - 1998. - 75 (1-4). - P. 171-173.

Размещено на Allbest.ru