Действие радиоактивного загрязнения на природные популяции растений и животных бывшего Семипалатинского испытательного полигона

Действие радиоактивного загрязнения на природные популяции растений и животных бывшего Семипалатинского испытательного полигона

Для решения комплекса задач данной работы исследования проводили на природных популяциях растений и животных бывшего Семипалатинского испытательного полигона. Объектами цитогенетических исследований служили семена дикорастущих видов растений: житняк (Agropyron cristatum L.), типчак (Festica valesiace Cand.), ковыль сарептский (Stipa sareptana Beck.) и полынь тонковатая (Artemisia gracilescens Krash.), мышевидные грызуны трех видов: Большой тушканчик (Allactaga major Kerr.), Тушканчик прыгун (Allactaga saltator Eversm.) и Краснощекий суслик (Citellus eritrogenus Brandt.). Отмечено, что в природных популяциях растений, произрастающих на радиоактивно-загрязненных участках бывшего СИП, обнаружена повышенная частота цитогенетических нарушений: превышение выхода индуцированных хромосомных мутаций по сравнению с контролем составило более 3 раз, в природных популяциях мышевидных грызунов уровень генетических нарушений в половых и соматических клетках животных значительно (от 2 до 9,2 раза) превысил контрольный уровень.

В настоящее время особую актуальность приобретают проблемы генетических последствий радиоактивного загрязнения окружающей среды для природных популяций организмов. Это связано с реально существующими ситуациями облучения природных сообществ в местах проведения ядерных испытаний и в зоне влияния уранодобывающих промышленных предприятий Республики Казахстан.

При рассмотрении эффектов действия радиации на живые организмы необходимо учитывать, что субъектом эволюционного процесса служит не особь, а популяция. Генетические свойства популяции неизмеримо превосходят наследственные потенции отдельных особей. Основной особенностью действия радиации на живые организмы является ее способность вызывать глубокие изменения в наследственном материале, нарушающие нормальную организацию организма. Такие изменения, будучи переданными последующим поколениям, могут внести существенный вклад в микроэволюционные процессы [9]. Причем всестороннее изучение влияния повышенного уровня ионизирующих излучений на популяции растений и животных является необходимым условием для решения вопроса об отдаленных генетических последствиях воздействия ионизирующих излучений на природные сообщества [10]. Полученные результаты при исследовании растений и животных позволяют косвенно оценить риск проявления дефектов у человека [11]. Изучение реакции популяции организмов, находящихся в естественной среде обитания, на хроническое действие ионизирующей радиации представляет несомненный интерес и в плане экологического нормирования содержания искусственных радионуклидов во внешней среде. Такого рода нормативы наряду с радиационно-гигиениче-скими показателями важны при регламентации использования ядерной энергетики в мирных целях.

Для решения комплекса задач данной работы исследования проводили на природных популяциях растений и животных бывшего Семипалатинского испытательного полигона (СИП).

Объектами цитогенетических исследований служили семена дикорастущих видов растений: житняк (Agropyron cristatum L.), типчак (Festica valesiace Cand.), ковыль сарептский (Stipa sareptana Beck.) и полынь тонковатая (Artemisia gracilescens Krash.), собранные на участках с разными уровнями радиоактивного загрязнения на территории урочища «Балапан». Мощность эквивалентной дозы гамма-излучений (МЭД) на участках сбора семян составляла 0,16−31,7 мкЗв/ч. Семена каждого из этих видов были собраны в отдельности на трех уровнях радиоактивного загрязнения территории: I — сильное радиоактивное загрязнение (МЭД 15−31,7 мкЗв/ч); II — среднее радиоактивное загрязнение (МЭД 0,8−10 мкЗв/ч); III — слабое радиоактивное загрязнение (МЭД 0,15−0,30 мкЗв/ч). Для контроля (IV) семена исследуемых видов растений собраны за пределами территории полигона (пос. Чайковка) при МЭД в пределах 0,12−0,20 мкЗв/ч. В зависимости от объекта подбирали условие проращивания семян и способ фиксации и окрашивания меристемных корешков растений. Цитогене-тический анализ проводили общепринятыми методами [12]. При анализе учитывали такие аномалии, как хроматидные фрагменты (f) и мосты (m'), хромосомные фрагменты (/") и мосты (m"), а также отставшие хромосомы, крупные микроядра и несинхронность деления (g).

Наряду с растениями наиболее удобными тест-объектами для подобного рода исследований являются мышевидные грызуны, которые на протяжении всей жизни непосредственно контактируют с почвой и растениями, содержащими радионуклиды, выпавшие в результате ядерных испытаний. Анализ совокупности нарушений в половых и соматических клетках грызунов дает достоверную картину состояния генетической структуры популяции. Объектом исследований служили мышевидные грызуны трех видов: Большой тушканчик (Allactaga major Kerr.), Тушканчик-прыгун (Allactaga saltator Eversm.) и Краснощекий суслик (Citellus eritrogenus Brandt.), постоянно обитающие на территории площадки «Балапан», где МЭД гамма-излучений составляет 0,16−8,1 мкЗв/ч; на отвалах «Атомного озера» на площадке «Балапан» — МЭД гамма-излучений составляет 9,0−18,6 мкЗв/ч и выше. Контрольные животные отловлены за пределами площадки «Балапан» с фоновым уровнем радиоактивного загрязнения: МЭД гамма-излучений < 0,33 мкЗв/ч. В работе представлены результаты двух экспресс-методов учета генетических нарушений в половых и соматических клетках: подсчет аномальных головок спермиев (АГС) и микроядерный тест — цитогенетический анализ эритроцитов периферической крови у животных.

Анализ аномальных головок спермиев позволяет учесть генные мутации в половых клетках, ответственные за возникновение морфологически атипичных спермиев [13]. У самцов мышевидных грызунов после умерщвления вскрывали и выделяли гонады, отделяли каудальные части эпидидими-сы, помещали в физиологический раствор. Эпидидимисы измельчали и содержимое фильтровали через капроновую сетку, в осадок добавляли 1%-ный водный раствор эозин-Na и спустя 30 минут готовили мазки на предметном стекле, высушивали на воздухе, покрывали покровными стеклами с канадским бальзамом. От каждого самца приготовлено не менее 15 препаратов и проанализировано не менее 2000 спермиев. К аномальным спермиям отнесены спермы с деформированной акросомой, с различными нарушениями формы головок сперматозоида: а) бананообразной головкой; b) аморфной головкой; с) закрученный сам на себя; d) с двумя хвостами и прочие сложные изменения [14]. Подробное описание классификации наблюдаемых типов аномальных головок спермиев приведены в работах W.R. Bruce, R. Furrerk, A.J. Wyrobek [15] и A.J. Wyrobek, W.R. Bruce [16].

Материалом для микроядерного анализа эритроцитов служила периферическая кровь животных, взятая из ушных вен мышевидных грызунов, отловленных на площадке «Балапан» с уровнем радиоактивного загрязнения: МЭД гамма-излучений 0,46−3,10 мкЗв/ч; бета-излучение в пределах 28,20 270,01 част/(мин-см²), контрольные животные отловлены на участках с фоновым уровнем: МЭД гамма-излучений — 0,13−0,15 мкЗв/ч; бета-излучение < 12,0 част/(мин-см²). В экспериментах использованы по 6 особей каждого вида животных. С каждого животного приготовлено не менее 15 препаратов, а в каждом препарате проанализировано не менее 500 эритроцитов, отмечено число клеток с микроядрами.

Статистическая обработка полученных результатов произведена по общепринятым методам биометрии [17−18].

Нами получены данные о частоте и спектре аберрантных анафазных клеток у исследованных видов растений в зависимости от уровня радиоактивного загрязнения в местах их произрастания (табл. 1).

Сопоставление полученных данных свидетельствует о существовании определенной закономерности мутационной изменчивости в хронически облучаемых популяциях в зависимости от видового различия растений и уровня радиоактивного загрязнения территории. Повышенная частота генетических изменений обнаружена у трех видов: Stipa sareptana Beck, Agropyron cristatum L. и Festuca vale-siace Cand. Так, у Stipa sareptana Beck частота анафазных клеток с аберрациями хромосом на загрязненных радионуклидами участках составляет в пределах 6,51±0,90% - 8,02±1,50%, при контрольном варианте 1,20±0,60%. У Agropyron cristatum L. и Festuca valesiace Cand. частота поврежденных анафаз при высоком уровне загрязнения составляла соответственно 6,00±1,05% и 5,62±1,20%, при среднем уровне загрязнения равнялась соответственно 3,94±0,92% и 4,15±0,85%, что означает достоверное превышение выхода индуцированных мутаций по сравнению с контролем более чем в 3 раза.

радиоактивный облучение ядерный уранодобывающий.

При анализе генетических последствий воздействия радиоактивного загрязнения на природные популяции растений следует учитывать и тот факт, что кроме мутагенного действия ионизирующие излучения в популяциях индуцируют также процессы адаптации, которые, возможно, являются результатом длительного отбора в облучаемой популяции радиорезистентных форм, возникших спонтанно или в результате хронического облучения. При этом возрастание радиоустойчивости сопровождается снижением уровня индуцированных структурных мутаций хромосом, что ранее было показано на примере отдельных травянистых растений, произрастающих в течение нескольких лет в условиях хронического облучения [19]. В наших исследованиях аналогичные результаты получены у популяций Artemisia gracilescens, произрастающих на территории урочища «Балапан»: частота структурных мутаций хромосом, индуцированных у данного вида при разных уровнях радиоактивного загрязнения, существенно не различалась и составляла 2,70±0,75% и 2,84±1,20%, при контрольном уровне — 0,74±0,18%. В отношении указанных структурных повреждений хромосом облучаемой популяции растений можно допустить, что отдельная их часть, не связанная с потерями генетического материала, передается потомству и накапливается в виде генетического груза, ослабляя популяции, хотя особо негативно не влияет на жизнеспособность популяции в обычных условиях, но может оказывать отрицательное влияние при резком ухудшении условий произрастания растений.

В таблице 2 представлены результаты исследований по частоте и спектру аномальных головок сперматозоидов мышевидных грызунов. Анализ данных показывает, что у самцов Allactaga major, отловленных на участках с фоновым уровнем загрязнения частота аномальных сперматозоидов составляет 6,76±1,25%, тогда как у самцов этого вида тушканчиков, отловленных на радиоактивно загрязненных участках, обнаружено повышенное количество сперматозоидов — от 30,16±2,91% до 51,53±5,05%, что превышает контрольный уровень в 4,5−7,6 раза. Это большая величина, которая может вызвать опасения сохранения генофонда большого тушканчика на данной территории. Эксперименты, проведенные на самцах Allactaga saltator и Citellus erytrogenus, также показали значительное повышение количества аномальных сперматозоидов у этих животных, постоянно обитающих на радиоактивно загрязненных участках урочища «Балапан». Превышение контрольного уровня составляет соответственно 5,02−9,2 и 3,24−6,6 раза.

Анализ литературных источников по действию ионизирующих излучений на репродуктивную функцию самцов показал, что мужские половые клетки являются высоко радиочувствительными [20−21]. Показано, что хроническое облучение самцов разных видов животных в малых и средних дозах облучения оказывает угнетающее действие на гонады, выражающиеся снижением массы яичников, подавлением в развитии потомства в последующих поколениях. В отдаленные сроки в гонадах возможно развитие опухолей, генетических повреждений и необратимых структурных нарушений [22].

Нарушения в сперматогенезе, приводящие к образованию атипичных сперматозоидов, обычно связывают с генетическими повреждениями при митотических и мейотических делениях мужских половых клеток: полиморфизм по морфологии сперматозоидов находится под полигенным контролем многочисленных идентифицированных аутосомных и связанных с полом генов. Кроме того, все мутагены, в том числе ионизирующее излучение, индуцирующие наследственные повреждения, усиливают атипичный сперматогенез и нарушения морфологии сперматозоидов у самцов, могут передаваться их сыновьям, т. е. наследоваться [11].

Результаты цитогенетического анализа эритроцитов периферической крови опытных и контрольных животных представлены на рисунке. Показано, что в эритроцитах Allactaga major, отловленных на радиоактивно-загрязненных участках обследуемой территории, уровень цитогенетических нарушений составил 4,72±0,65% о, тогда как в контрольном варианте этот показатель равнялся 1,40±0,26% о. У Allactaga saltator и Citellus erytrogenus, обитающих на загрязненных участках урочища «Балапан», также обнаружено повышенное количество эритроцитов с микроядрами, равное соответственно 3,15±0,71% о и 2,84±0,82% о, что превышает контрольный уровень в 2,1−2,7 раза.

радиоактивный облучение ядерный уранодобывающий.

Безусловно, исследованные нами популяции организмов являются поколениями растений и животных, испытавших острое радиационное воздействие в период проведения ядерных испытаний и в дальнейшем в течение многих поколений (более 40 лет) подвергавшихся хроническому облучению. Обнаруженные нами генетические эффекты свидетельствуют об усилении микроэволюционных процессов в природных сообществах под воздействием ионизирующих излучений, проявляющихся в повышенной частоте цитогенетических нарушений.

Выводы

• 1. В природных популяциях растений, произрастающих на радиоактивно-загрязненных участках технической площадки «Балапан» бывшего СИП, обнаружена повышенная частота цитогенетических нарушений: превышение выхода индуцированных хромосомных мутаций по сравнению с контролем более чем в 3 раза.
• 2. В природных популяциях мышевидных грызунов, обитающих на радиоактивно-загрязненных территориях урочища «Балапан» бывшего СИП, уровень генетических нарушений в половых и соматических клетках животных значительно (от 2 до 9,2 раза) превышает контрольный уровень.

• 1. Дубасов Ю. В. Современная радиационная обстановка на бывшем Семипалатинском полигоне и вокруг него. Некоторые контрольно-методические исследования 1994 г. // Радиохимия. — 1997. — Т. 39. — Вып. 1. — С. 80−88.
• 2. Сейсебаев А. Т., Смагулов С. Г. и др. Современные проблемы радиоэкологии бывшего Семипалатинского испытательного полигона. — Павлодар, 1997. — 21 с.
• 3. Логачев В. А., Логачева Л. А., Бежина Л. Н. Оценка степени влияния на здоровье населения ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне по результатам анализа архивных материалов // Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблемы нераспространения: Материалы II междунар. науч.-практ. конф. — Курчатов, 6−8 сентября 2005 г. — Курчатов, 2005. — Т. 2. — С. 110−118.
• 4. Субботин С. Б., Лукашенко С. Н., Бахтин Л. В. Характер и уровни радиоактивного загрязнения водной среды СИП // Семипалатинский испытательный полигон. Радиационное наследие и проблемы нераспространения: Материалы III между-нар. науч.-практ. конф. — Ин-т радиационной безопасности и экологии НЯЦ РК. 6−8 октября 2008 г. — Курчатов, — С. 34−36.
• 5. K., Seisebaev A.T. Problems of the complex assessment of radiobioecological situation and Public Health in uranium-extraction regions of Kazakhstan // Радиационная биология, Радиоэкология. — 2002. — Т. 42. — № 6. — С. 750−753.
• 6. Казымбет П. К., Белоног А. А. и др. Комплексное радиоэкологическое исследование уранодобывающих территорий и близлежащих населенных пунктов Северного Казахстана // Медико-биологические и экологические проблемы в уранодо-бывающих регионах: Материалы II междунар. науч.-практ. конф. // Астана медициналы? журналы. Спецвыпуск. -2005. — № 3. — С. 61−65.
• 7. Казымбет П. К., Бахтин М. М., Имашева Б. С. Радиационная обстановка некоторых уранодобывающих регионов Северного Казахстана // Вестник КазНУ. Сер. экологич. — 2006. — № 1. — С. 30−35.
• 8. Бахтин М. М. Содержание и распределение естественных радионуклидов и тяжелых металлов в тканях рыб, обитающих в открытых водоемах вблизи уранодобывающих предприятий Акмолинской области // Вестник науки Казахского государственного агротехнического университета им. С. Сейфуллина. — Астана, 2007. — № 3. — С. 172−178.
• 9. Дубинин Н. П. Общая генетика. — М.: Наука, 1976. — 572 с.
• 10. Абрамов А. И., Шевченко В. А. Генетические последствия хронического действия ионизирующих излучений на популяции // Радиационный мутагенез и его роль в эволюции и селекции. — М.: Наука, 1987. — С. 83−109.
• 11. Шумный В. К., Дыгало Н. Н., Осадчук А. В. и др. Генетические эффекты радиационного и других антропогенных загрязнений на животных и растения Алтая // Вестник научной программы «Семипалатинский полигон-Алтай». — 1994. — № 3. — С. 48−62.
• 12. Паушева З. П. Практикум по цитологии растений. — М.: Агроиздат, 1988. — 271 с.
• 13. Рябоконь Н. И. Генетический мониторинг мышевидных грызунов из загрязненных радионуклидами районов Беларуси: Автореф. дис… канд. биол. наук. — Минск, 1999. — 22 с.
• 14. Soares E.R., Sheriden W., Segall M. Increased frequencies of aberrant sperm as indicators of mutagenic damage in mice // Mutation Research. — 1979. — 64. — № 1. — Р. 27−35.
• 15. Bruce W.R., Furrerk R., Wyrobek A.J. Abnormalities in the shape of murine sperm after testicular X-irradiation // Mut. Res. — Vol. 23. — № 3. — Р. 381−390.
• 16. Wyrobek A.J., Bruce W.R. Chemical induction of sperm abnormalities in mice // Proc. Nati. Acad. Sci. (MSA). — 1975. — 71. — № 11. — P. 4425−4429.
• 17. Рокицкий П. Ф. Биологическая статистика. — Минск: Вышэйш. шк., 1967. — 328 с.
• 18. Лакин Г. Ф. Биометрия. — М.: Высш. шк., 1990. — 352 с.
• 19. Шевченко В. А. Интегральная оценка генетических последствий действия ионизирующих излучений // Радиационная биология. Радиоэкология. — 1997. — Т. 34. — Вып. 4. — С. 569−576.
• 20. Верховская И. Н., Маелова К. И., Маелов В. И. Действие малых доз радиации и инкорпорированных естественно-радиоактивных элементов на сперматогенез полевок экономок в природных условиях // Радиобиология. — 1965. — Т. — Вып. 5. — С. 720−729.
• 21. Кондратенко В. Г. Действие малых доз радиации на репродуктивную систему самцов млекопитающих // Радиационная биология. Информационный бюллетень. — 1976. — Вып. 19. — С. 10−15.
• 22. Лягинская А. М. Актуальные вопросы действия радиоактивных веществ на гонады // 1 Всесоюз. Радиобиологический съезд. Москва, 21−27 августа 1989 г.: Тезисы докл. — Пущино, 1989. — С. 967−968.