Введение к работе
Актуальность работы:
В настоящее время рост в окружающей среде радиоактивных загрязнений техногенного характера ставит перед исследователями задачу изучения воздействия низкодозового облучения на организмы, а также поиска новых методов мониторинга состояния окружающей среды.
Микроорганизмы являются простейшими и одновременно важнейшими компонентами биосферы, и их состояние может служить индикатором состояния экосистемы в целом. В данной работе в качестве биологической тестовой системы нами выбраны морские люминесцентные бактерии. Эти бактерии представляют собой удобные модельные объекты для изучения закономерностей воздействия радиоактивного излучения на организмы, так как интенсивность их свечения чрезвычайно чувствительна к присутствию экзогенных соединений. Именно поэтому биолюминесцентные системы уже более 40 лет используются в качестве биотестов для мониторинга токсичности различных сред [1] и механизмы их взаимодействия с экзогенными соединениями достаточно хорошо изучены [2]. Биолюминесцентные биотесты характеризуются высокой скоростью анализа (1-5 мин), чувствительностью и возможностью приборной регистрации параметра физиологической активности - интенсивности свечения. Кроме того, возможность использования биолюминесцентных систем различной сложности (биолюминесцентных бактерий и выделенных ферментов), позволяет сравнивать эффекты на клеточном и биохимическом уровнях.
Выбор объектов исследования (бета-излучающего радионуклида трития и альфа-излучающего радионуклида америция-241) связан с тем, что в последние годы наблюдается увеличение содержания данных радионуклидов в окружающей среде.
Тритий, бета-излучающий изотоп водорода, является одним из самых распространенных продуктов распада радиоизотопов, использующихся в ядерной промышленности. Тритий находится в окружающей среде в основном в виде тритиевой воды и обладает высокой проникающей способностью; его содержание в организмах пропорционально его концентрации в окружающей среде. По химическим свойствам тритий аналогичен стабильному изотопу водорода и способен замещать его в органических соединениях. Несмотря на то, что энергия бета-частиц трития мала и он считается одним из самых безопасных радиоизотопов, попадая в ткани, он создает значительную плотность ионизации среды. Положительно заряженный ион гелия-3, который (наряду с электроном) является продуктом радиоактивного распада трития, - чрезвычайно активная частица, способная акцептировать электрон из окружающей среды до завершения устойчивой электронной оболочки инертного газа, гелия. При этом в организме интенсифицируются процессы переноса заряда.
Благодаря низкой энергии бета-распада, тритий является удобным объектом для изучения защитных реакций организма в условиях низких и средних доз облучения. Понимание молекулярных механизмов активации и подавления физиологических функций организмов в таких условиях чрезвычайно актуально в настоящее время.
Америций-241, альфа-излучающий радионуклид, имеет техногенное происхождение и является одним из побочных продуктов ядерного производства. Известно, что до 20% общего содержания америция-241 связывается с биологическими тканями организмов [3].
Сравнение действия альфа- и бета-излучающих радиоизотопов на организмы в настоящее время является актуальным.
Цель исследования - изучение хронического воздействия радионуклидов трития и америция-241, характеризующихся соответственно бета- и альфа- распадом, на морские люминесцентные бактерии.
В работе поставлены следующие задачи:
-
Сравнение хронического воздействия альфа- и бета-излучающих радионуклидов на примере америция-241 и трития на кинетику биолюминесценции Photobacterium phosphoreum и выделенной ферментативной системы НАД(Ф)Н:ФМН-оксидоредуктаза - люцифераза.
-
Оценка накопления радионуклидов клетками бактерий и молекулами
ДНК.
-
Выявление роли пероксидных соединений в процессе воздействия радионуклидов на люминесцентные бактерии.
-
Изучение поврежденности клеток методом электронной микроскопии.
-
Изучение изменения структуры внутриклеточных компонентов при воздействии радионуклидов методом ИК-спектроскопии.
-
Сравнение воздействия радионуклидов америция-241 и трития на рост бактерий.
Научная новизна. На примере трития впервые исследовано воздействие растворов бета-излучающего радионуклида на биолюминесцентные системы: интактные и лиофилизированные бактерии P.phosphoreum, а также на выделенную ферментативную систему сопряженных реакций. Показано, что реакция клеток светящихся бактерий на воздействие альфа- и бета-излучающих радионуклидов америция-241 и трития является схожей: кинетика люминесценции включает три последовательные стадии, а именно, отсутствие эффекта, активация и ингибирование свечения, которые можно интерпретировать как соответственно распознавание стресс-фактора, радиационный гормезис и подавление физиологической функции.
Отклик ферментативной системы на воздействие трития включает только один эффект - активацию либо ингибирование свечения (в зависимости от радиоактивности среды). Зависимость интенсивности биолюминесценции от радиоактивности тритиевой воды носит монотонный характер.
На примере америция-241 доказано участие пероксидных соединений в эффектах альфа-излучающих радионуклидов высокой удельной активности на биолюминесцентные тестовые системы.
В ИК-спектрах бактериальных клеток обнаружен сдвиг полосы амид-I клеточных белков на +6 см-1 при воздействии трития, что предполагает увеличение доли Р-структурированных белков в качестве защитной реакции бактерий на стрессовое воздействие. Не обнаружено достоверных сдвигов в ИК-спектрах при воздействии америция-241.
Определено накопление трития и америция-241 в клетках бактерий. Визуализированы изменения бактериальных клеток при воздействии трития.
Показано, что присутствие америция-241 (0,37-6,67 кБк/л) в питательной среде вызывает подавление роста бактерий, в то время как тритий активирует бактериальный рост при удельных активностях 10-104 кБк/л и подавляет при удельных активностях, превышающих 105 кБк/л.
Практическая значимость. Продемонстрировано, что биолюминесцентные системы могут быть использованы в экологических исследованиях для мониторинга воздействия растворов радионуклидов на водные микроорганизмы при различных дозах хронического облучения. Результаты работы могут являться основой для разработки биолюминесцентных методик мониторинга радиотоксичности изотопов, характеризующихся альфа- и бета-распадом, в растворах низкой и средней радиоактивности.
Времена начала активации и ингибирования бактериальной биолюминесценции предложены в качестве тестового параметра для оценки чувствительности бактерий к тритию.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
Три последовательных стадии воздействия трития и америция-241 на кинетику люминесценции бактерий: отсутствие эффекта, активация и ингибирование люминесценции. Отсутствие этой последовательности в кинетике биолюминесценции ферментативной системы.
-
Участие пероксидных соединений в биологических эффектах альфа- излучающих радионуклидов высокой удельной радиоактивности в биолюминесцентных тестовых системах.
-
Сдвиг полосы амид-I клеточных белков в ИК-спектрах бактериальных клеток при воздействии трития, предполагающий увеличение доли Р-структурированных белков в качестве защитной реакции бактерий на стрессовое воздействие; отсутствие этой реакции при воздействии америция-241.
Апробация работы. Основные положения работы представлены на 15-ой, 16-ой и 17-ой Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2008, 2009, 2010), 3-ей Российской школе по радиохимии и ядерным технологиям (Озерск, 2008), 5-ой молодежной научно-практической конференции «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» (Озерск, 2009), Международной конференции «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды» (Сыктывкар, 2009), 6-ой Российской конференции по радиохимии «Радиохимия-2009» (Москва, 2009), 16-ом и 17-ом Международных симпозиумах по биолюминесценции и хемилюминесценции (Лион, Франция, 2010; Гелф, Канада, 2012), 10-ой Международной научно- практической конференции «Интеллект и наука» (Железногорск, 2012), Практикуме по коммерциализации технологий в рамках программы "Фундаментальные исследования и высшее образование" (Владивосток, 2010), 14-ом и 15-ом Международном симпозиуме по биолюминесцентной спектрометрии (Прага, Чешская республика, 2010; Барселона, Испания, 2012), 5-ой Центрально-Европейской конференции «Химия в Биологии» (Примоштен, Хорватия, 2010), Международной конференции молодых ученых «Проблемы экологии» (Иркутск, 2010), 10-ой Конференции по радиационной физике и радиационной защите (Каир, Египет, 2010), Конференции «Спектроскопия в биологических науках 21 века» (Пекс, Венгрия, 2011), 37-ом Международном спектроскопическом коллоквиуме (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 2011), 14-ом Международном конгрессе по радиационным исследованиям (Варшава, Польша, 2011), 6-ом Съезде Российского фотобиологического общества (пос. Шепси, 2011), 34-ом Съезде европейского сообщества радиационных исследований (Виетри-суль-маре, Италия, 2012).
Работа выполнена при финансовой поддержке следующих фондов и организаций: Министерства образования и науки РФ, НОЦ «Енисей», 2007; Сибирского федерального университета (молодежные инновационные проекты), 2007; фонда Бортника по программе УМНИК, 2008-2009; НОЦ «Поведение актинидов в окружающей среде» ГЕОХИ РАН, 2009; РФФИ (07- 04-01340-а, 09-08-98002-р_сибирь_а, 10-05-01059-а), 2007-2009, 2009-2010, 2010-2012; Министерства образования и науки РФ (Государственные контракты № 14.740.11.0437 от 30.09.2010 и № 14.740.12.0866 от 22.04.2011 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы), 2010, 2011.
Работа удостоена премии главы города Красноярска в 2012 году.
Личный вклад автора состоял в адаптации биолюминесцентных методик для исследования эффектов радионуклидов, проведении основных экспериментов, активном участии в обработке и обсуждении экспериментальных данных, подготовке публикаций. Основная часть результатов была получена в сотрудничестве с Бадуном Г.А., Бондаревой Л.Г.,
Дементьевым Д.В., Кузнецовым А.М., Выдряковой Г.А., Могильной О.А., Камневым А.А., Тарантилисом П.А., Полиссиу М.Г., Тугаровой А.В., Кудряшевым М.А. Вклад соавторов отражен в публикациях. Автор приносит благодарность всем коллегам за участие в совместных работах и обсуждении результатов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в журналах из перечня ВАК, 28 тезисов докладов, представленных на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, четырех глав с изложением результатов работы, выводов и списка литературы. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 37 рисунками и 1 таблицей. Библиография включает 180 источников.
Похожие диссертации на Влияние на люминесцентные бактерии бета- и альфа-излучающих радионуклидов на примере трития и америция-241
-
