Оценка изменения риска генотоксической активности донных отложений водных экосистем Оренбургской области во времени и пространстве

Оценка изменения риска генотоксической активности донных отложений водных экосистем Оренбургской области во времени и пространстве

Г.Н. Соловых, д.б.н., профессор, Л.В. Голинская, соискатель, Е.М. Нефёдова, к.б.н, Е.А. Кануникова, к.м.н, Оренбургская ГМА

В природные водоёмы попадают и накапливаются в донных отложениях вещества различного химического состава, которые даже в малых количествах нарушают гомеостаз водных экосистем [1]. В результате деятельности человека или природных факторов аккумулированные в донных отложениях вещества снова диффундируют в воду и создают угрозу здоровью человека и состоянию жизни гидробионтов. Среди загрязнителей окружающей среды, попадающих в водные экосистемы, наибольшую опасность представляют мутагенные факторы, способные вызывать у всех организмов изменение наследственного материала — мутации [2]. Аккумулируя поступающие загрязнители, донные отложения являются индикаторами в оценке распределения пространственного загрязнения водоёмов и водотоков, а также отражают временную динамику загрязнения водной среды.

Методы исследования. Оценка генотоксической активности донных отложений проведена с использованием токсикогенетических методов: 1) метода учёта видимых мутаций (ВМ) у хлореллы Chlorella vulgaris; 2) ана-телофазного метода учёта хромосомных аберраций (ХА) в меристематической ткани проростков корешков лука Allium cepa; 3) метода учёта доминантных летальных мутаций (ДЛМ) у дрозофилы Drosophila melanogaster [3].

Для сравнения результатов, полученных в разных тестах, использовался такой показатель, как «выраженность мутагенной активности» (ВМА). Статистическая обработка результатов и корреляционный анализ осуществлялись при помощи компьютерных программ Excel 2000 (Microsoft, USA) и Statistic for Windows. Для проверки гипотезы о достоверности различий между средними арифметическими значениями контрольного и опытного вариантов использовался t-критерий Стьюдента. Отклонение считалось достоверным при достижении 5%-го уровня значимости (при p<0,05). Для выявления прямой (сильной, средней, умеренной и слабой) корреляционной связи использовали коэффициент корреляции Пирсона.

Результаты исследования. Оценку мутагенной активности донных отложений (ДО) водных экосистем Оренбургской области проводили

на ряде экосистем Западного (три станции) и Центрального (шесть станций) регионов, пробы ДО были отобраны за два года исследования (2004, 2007 гг.). На данных станциях мутагенную активность оценивали при использовании двух тест-объектов (табл.), что и позволило провести её оценку во временном аспекте.

Так, в Западном регионе на р. Ток МА ДО в 2004 и 2007 гг. не выявлена, то есть за три года, прошедших между сроками отбора проб, поступления генотоксикантов в водоток не происходило.

Мутагенная активность ДО р. Самара в г. Бузулуке регистрировалась в оба года: в 2004 г. она оценивалась как слабая при использовании Al. cepa, а в 2007 г. — осталась на прежнем уровне, но спектр генотоксикантов расширился (выявлены мутагены прямого действия и промутагены).

На водотоках и водоёмах Центрального региона области токсикогенетическая ситуация изменялась по-разному: на 83,3% станций при повторном исследовании она стала более напряжённой, и лишь на 16,7% станций улучшилась. Уменьшение мутагенной активности донных отложений зарегистрировано на р. Неть Шар-лыкского р-на: в 2004 г. ДО вызывали увеличение ХА (превышение контроля — 5,15%), что свидетельствовало о слабом мутагенном эффекте; в 2007 г. МА не регистрировалась. Следовательно, за три года произошло самоочищение ДО от генотоксикантов за счёт процессов их растворения и вымывания в воду. На р. Молочай Александровского района в 2007 г. средняя МА зафиксирована в тесте учёта ВМ у одноклеточной водоросли Ch. vulgaris (кратность превышения контроля — 2,85), в то время как в пробах 2004 г. прямые мутагены выявлены не были, но отмечено наличие промутагенов, активирующихся в многоклеточном растительном организме Allium cepa, т.е. в ДО произошла смена спектра генотоксикантов.

На р. Салмыш Шарлыкского р-на генотоксическая ситуация изменилась от полного отсутствия мутагенного эффекта в 2004 г. до среднего в 2007 г. За истекший период в ДО накопились генотоксиканты различного спектра действия, т.к. вытяжка грунтов в 2007 г. вызывала мутации и у Ch. vulgaris (кратность превышения контроля — 2,28), и ХА в меристеме Al. cepa (превышение контроля — 7,05%). Данный факт свидетельствует об увеличении антропогенной

нагрузки на указанный водоток за временной период.

На р. Самаре Новосергиевского р-на в 2004 г. была зарегистрирована слабая МА грунтов в тесте ВМ у Ch. vulgaris, а в 2007 г. МА оценивалась уже как средняя (кратность превышения контроля — 2,89), пробы индуцировали также ХА в меристеме Al. cepa.

На реках Большой Юшатырь Октябрьского р-на и Каргалка Сакмарского р-на в 2007 г. увеличились частоты видимых мутаций у Ch. vulgaris: на р. Б. Юшатырь зафиксирована слабая МА, на р. Каргалке — средняя, в то время как пробы ДО 2004 г. не обладали МА. Следовательно, за истекший период времени в ДО произошло поступление поллютантов, обладающих МА.

Таким образом, проведённое сравнение мутагенной активности ДО отдельных водотоков Западного и Центрального регионов Оренбургской области во временном аспекте показало, что антропогенная нагрузка на водные экосистемы Центрального региона выше, чем Западного, о чём свидетельствует ухудшение генотоксической ситуации на большинстве исследуемых рек.

В ходе исследования было зафиксировано поступление генотоксикантов в водоёмы и водотоки Оренбургской области, во всех регионах возросло число станций с МА (рис. 1, 2). В меньшей степени увеличение произошло в Западном регионе (с 27,3 до 33,3%), при этом возрос

процент станций, ДО которых индуцировали ВМ у Ch. Vulgaris, и снизился процент станций, ДО которых вызывали XA в меристеме Al. сepa (рис. 1), т.е. произошла смена генотоксикантов. В Центральном регионе области увеличение процента станций с MA было значительно выше (с 33,3 до 80%). Очень резко (с 5,6 до 60%) возрос процент станций, ДО которых вызывали видимые мутации у Ch. vulgaris, но не изменилось число станций, ДО которых вызывали XA в меристеме Al. сepa (25—30%). При этом выросло число станций с двумя типами нарушений: в 2004 г. — 5,6%, в 2007 г. - 20% (рис. 1, 2).

Токсикогенетическая ситуация в районе Оренбурга в 2007 г. ухудшилась, о чём свидетельствует рост станций, ДО которых проявляли MA (с 57,1 до 80%). Резко возрос (с 7,1 до 80%) процент станций, в ДО которых присутствовали промутагены, приобретающие мутагенную активность в растительных организмах.

Проведённый мониторинг генотоксической активности ДО водных экосистем Оренбургской области показал, что за три года исследования в ДО произошла аккумуляция поллютантов, способных повреждать генетический материал клеток, о чём свидетельствует увеличение во всех исследованных регионах области процента станций с MA. На ряде водотоков расширился спектр генотоксикантов либо они сменились, а в отдельных водных экосистемах загрязнение

Временная динамика MA ДО водотоков Оренбургской области

Название станции Тест ВМ у Chlorella vulgaris Тест ХА у Allium cepa

ВМ, % кратность превышения контроля ВМА хромосомные аберрации, % превышение контроля, % ВМА

2004 г. 2004 г. 2004 г. 2004 г. 2004 г. 2004 г.

2007 г. 2007 г. 2007 г. 2007 г. 2007 г. 2007 г.

Западный регион

3,98±1,89 1,77 0 5,75±0,93* 4,89 1

р. Самара, г. Бузулук 3,58±0,36* 1,95 1 5,41±1,13 3,58 1

2,99±0,78 1,33 0 6,59±1,49 5,73 0

р. Ток, Грачевский р-он 2,31±0,19 1,26 0 4,77±1,27 2,94 0

р. Ток, нет данных 0 2,96±0,49 2,1 0

Красногвардейский р-он 3,39±0,46 1,84 0 0,00 0,00 0

Центральный регион

р. Молочай, 1,74±1,74 0,88 0 5,44±0,4* 4,58 1

Александровский р-он 5,25±0,58** 2,85 2 5,41±1,09 3,58 0

р. Неть, 0,69±0,14 0,73 0 6,01±0,90* 5,15 1

Шарлыкский р-он 2,71±0,23 1,47 0 4,11±2,02 2,28 0

р. Салмыш, 0,98±0,45 0,10 0 3,97±0,93 3,11 0

Шарлыкский р-он 4,20±0,77* 2,28 2 8,88±1,53* 7,05 1

р. Самара, 2,54±0,64 1,75 1 7,46±1,96 6,6 0

Новосергиевский р-он 8,60±1,67 2,89 2 7,87±0,68* 6,87 1

р. Большой Юшатырь, 2,95±1,31 1,5 0 4,45±1,23 3,59 0

Октябрьский р-он 3,36±0,31* 1,8 1 6,22±1,30 4,39 0

р. Каргалка, 0,88±0,35 0,88 0 нет данных

Сакмарский р-он 4,32±0,14** 2,3 2 5,67±2,77 3,84 0

Примечание: * — различия с контролем достоверны при р<0,05;

** — различия с контролем достоверны при р<0,01

Западный 2004 Западный 2007 Центральный 2004 Центральный 2007 Оренбург 2004 Оренбург 2007

%ст с превышением ВІУІУ Ch. vulgaris 0% 33,30% 5,60% 60% 21,40% 20%

н % ст с превышением ХА у AI. сера 9,10% 0,00% 25,00% 30% 7,10% 80%

Нет с Іти пом генетических нарушений 63,60% 16,60% 44,50% 50% 50% 40%

tf%cr с 2типами генетических нарушений 9% 33,30% 11% 30% 14,30% 0%

Рис. 1 - Временная динамика изменения МА ДО в регионах области

=г

80,00%

60,00%

40,00%

20,00%

0,00%

I % станций с МА ДО

ш ш

Западный

2004

27,20%

Западный

2007

33%

Цент-

ральный

2004

33,30%

313

Цент-

ральный

2007

80%

Оренбург

2004

57,10%

Оренбург

2007

80%

Рис. 2 - Временная динамика процента станций с разными типами генетических нарушений

генотоксикантами перестало регистрироваться, что связано с процессами самоочищения ДО от мутагенов за счёт их растворения и вымывания в воду

В рамках экспедиционных исследований на отдельных водотоках Оренбургской области была изучена пространственная динамика мутагенной активности донных отложений. В 2004 г. исследованы реки Самара, Илек, Сакмара и Урал, а в 2007 г. — Самара.

На р. Илеке в 2004 г. было две точки отбора проб, обе расположены в Центральной зоне области: в Акбулакском и Илекском р-нах. Пробы ДО, отобранные в Акбулакском районе, характеризовались средней МА в тесте учёта ДЛМ у Dr. melanogaster, а пробы, взятые на территории Илекского р-на, обладали слабой МА в тесте с использованием Al. cepa, что свидетельствует об изменении спектра и количества промутагенов на протяжении р. Илека — крупного левобережного притока Урала. Полученные результаты показали, что наименьшее загрязнение мутагенами характерно для ДО, отобранных на станции,

более удалённой от истока реки (ст. 3, р. Илек, Илекский р-он), а наибольшее загрязнение — для станции, расположенной в верховье реки — в Акбулакском р-не, трансграничной территории с Актюбинской областью Казахстана. Данный регион — один из самых экономически развитых в Казахстане, богат полезными ископаемыми: нефтью, газом, хромом, никелем, титаном, медью. Город Актобе (Актюбинск) входит в семёрку худших городов Казахстана по состоянию атмосферы, а главная в области река Илек относится к самым загрязнённым [4]. Результаты исследования показали, что содержание Сг в ДО р. Илека Акбулакского р-на в 4,5 раза выше, чем в ДО р. Илека Илекского р-на. Подобная закономерность характерна и для остальных станций. Это доказывает тот факт, что по мере удаления от основного источника загрязнения содержание в ДО загрязняющих веществ понижается, что и будет сопровождаться снижением МА.

На Урале в 2004 г. пробы ДО отобраны на четырёх станциях в районе Оренбурга и двух

станциях, расположенных в Восточном регионе области. Установлено, что в районе крупного промышленного города Оренбурга МА на всех исследованных станциях выявлялась хотя бы в один из трёх сроков исследования, а в районе очистных сооружений она характеризовалась как средняя. ДО р. Урала, отобранные в районе г. Новотроицка и в Новотроицком р-не, имели разную степень генотоксичности: в районе г. Новотроицка она не выявлена, а на территории Новотроицкого р-на она характеризовалась как слабая. Таким образом, на протяжении р. Урала генотоксиканты различались как по спектру, так и по количеству, а наибольший «вклад» в мутагенное загрязнение реки вносил промышленный г. Оренбург.

Река Самара — один из крупных водотоков Оренбуржья. В рамках экспедиций 2004 и 2007 гг. пробы ДО на реке отобраны в Центральном и Западном регионах на станциях вниз по течению реки, что позволило оценить пространственную динамику МА ДО реки в два года исследования.

В 2004 г. в районе п. Новосергиевка ДО р. Самары индуцировали ВМ Ch. vulgaris, кроме того, повышали частоту ХА у Л/, сера и ДЛМ у Dr. melanogaster, т.е. спектр генотоксикантов был широким. В с. Барабановке Новосергиевского р-на ДО не обладали МА в отношении трёх тест-объектов. ДО р. Самары, протекающей по территории Западного региона, проявили гено-токсичность в тесте учёта ХА с оценкой слабая лишь в пробах, отобранных в г. Бузулуке.

В 2007 г. в 30 км от истока реки в п. Пере-волоцке отмечена слабая МА ДО в тесте учёта ВМ у Ch. vulgaris, т.е. ДО содержали мутагены прямого действия, вызывающие генные мутации

у одноклеточной водоросли. На р. Самаре в районном центре п. Новосергиевке в тесте ВМ у Ch. vulgaris МА оценивалась уже как средняя. Кроме того, пробы индуцировали и ХА в меристеме Л/, сера. В районе г. Бузулука слабая мутагенная активность ДО выявлена в тесте учёта ВМ у Ch. vulgaris.

Проведённый анализ мутагенной активности ДО р. Самары на её протяжении показывает, что крупные населённые пункты (Новосергиевка, Бузулук) оказывают наибольшую нагрузку гено-токсикантами.

Выводы

1. За три года исследования в грунтах большинства водных экосистем Оренбургской области произошла аккумуляция генотоксикантов с расширением спектра или его сменой, о чём свидетельствует увеличение процента станций с мутационной активностью донных отложений, вызывающих мутации разного типа.

2. Наибольшая степень мутагенной активности и широта спектра мутагенов отмечались вблизи крупных городов и населённых пунктов, которые и являлись источниками поступления в водные экосистемы загрязнителей мутагенной природы.

Литература

1. Иванова И.Ю. Токсикологическая оценка качества донных отложений водоёмов Оренбургской области // Биология внутренних вод, приложение. 2008. № 2. С. 4—12.

2. Минина В.И. Комплексный анализ мутагенной и канцерогенной опасности условий труда на Кемеровском АО «Кокс» // Медицина труда и промышленная экология. 2006. № 11. С. 19-25.

3. Прохорова И.М. Пространственная и временная динамика мутагенной активности воды оз. Неро // Биология внутренних вод, приложение. 2008. № 2. С. 17-23.

4. Прохорова И.М., Ковалёва М.И., Фомичёва А.Н. Генетическая токсикология: лабораторный практикум. Ярославль: ЯрГУ, 2005. 132 с.