Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 9
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 16
1.1. Угроза генетической безопасности человечества в результате загрязнения биосферы радионуклидами 16
1.2. Синергические эффекты радиации и других загрязнителей 16
1.3. Влияние радиации на генетический аппарат клетки 19
1.3.1. Разнообразие ответных реакций организма на радиационное воздействие 20
1.4. Экологическая оценка загрязнения окружающей среды методами биоиндикации 23
1.4.1. Преимущества использования древесных растений для биотестирования 25
1.4.2. Типы мониторинга 29
1.4.2.1. Цитогенетический мониторинг 30
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 32
2.1. Характеристика Нововоронежской АЭС 32
2.2. Характеристика выбранных тест-объектов для цитогенетического мониторинга территории Нововоронежской АЭС 36
2.2.1. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) как тест-объект для цитогенетического мониторинга среды 37
2.2.1.1. Систематика сосны обыкновенной 37
2.2.1.2. Ареал 37
2.2.1.3. Биология 39
2.2.1.4. Цитогенетика 42
2.2.1.5. Характеристика выбранных для исследований насаждений сосны обыкновенной 44
2.2.2. Береза повислая (Betula pendula Roth) как тест-объект для мониторинга среды 45
2.2.2.1. Систематика 46
2.2.2.2. Ареал 46
2.2.2.3. Биология 47
2.2.2.4. Цитогенетика 50
2.2.2.5. Характеристика выбранных для исследований насаждений березы повислой 51
2.3. Характеристика районов проведения исследований 52
2.4. Проращивание семян. Фиксация 53
2.5. Методика приготовления препаратов 53
2.6. Анализ микропрепаратов 54
2.6.1. Критерии патогенетического мониторинга 56
2.6.1.1. Использование митотической активности для целей биоиндикации 59
2.6.1.2. Патологические митозы как критерий оценки генетической системы организма 60
2.6.1.2.1. Классификация патологических митозов 61
2.6.1.2.2. Анафазно-телофазный метод учета хромосомных аберраций в биотестировании 62
2.6.1.2.3. Микроядерный тест 64
2.6.1.3. Использование ядрышковых характеристик в качестве цитогенетического критерия при биотестировании 66
2.7. Статистическая обработка результатов 68
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 70
3.1. Цито генетические характеристики семенного потомства сосны обыкновенной с опытных площадей в районе 1-км зоны Нововоронежской АЭС
и в контроле в 1996 - 2002 годах 70
3.1.1. Ядрышковые характеристики сосны обыкновенной из 1-км зоны Нововоронежской АЭС и в контроле в 1996 - 2002 годах 70
3.1.2. Уровень и спектр патологических митозов в клетках проростков сосны обыкновенной из 1-км зоны Нововоронежской АЭС и в контроле в 1996 -2002 годах 76
3.1.3. Митотическая активность в клетках проростков сосны обыкновенной из 1-км зоны Нововоронежской АЭС и в контроле в 1996 - 2002 годах 86
3.1.4. Полиморфизм цитогенетических показателей семенного потомства сосны обыкновенной на экологически чистой территории и в 1-км зоне Нововоронежской АЭС в 2001 и 2002 гг. 94
3.1.5. Корреляция цитогенетических характеристик тест-объектов 111
3.1.5.1. Корреляция цитогенетических характеристик сосны обыкновенной из 1-км зоны Нововоронежской АЭС и в контроле в 1996 - 2002 годах 112
3.1.6. Возможные цитогенетические механизмы адаптации сосны обыкновенной к стрессовым условиям в 1-км зоне Нововоронежской АЭС в 1996-2002 гг. 120
3.2. Цитогенетические характеристики семенного потомства березы повислой с опытных площадей в районе 1-км зоны Нововоронежской АЭС и в контроле в 2001 и 2002 годах 123
3.2.1. Ядрышковые характеристики березы повислой из 1-км зоны Нововоронежской АЭС и в контроле в 2001 и 2002 годах 125
3.2.2. Уровень и спектр патологических митозов в клетках проростков березы повислой из 1-км зоны Нововоронежской АЭС и в контроле в 2001 и 2002 годах 138
3.2.3. Митотическая активность в клетках проростков березы повислой из 1-км зоны Нововоронежской АЭС и в контроле в 2001 и 2002 годах 141
3.2.4. Корреляция цитогенетических характеристик тест-объектов 145
3.2.4.1. Корреляция цитогенетических характеристик березы повислой из 1-км зоны Нововоронежской АЭС и в контроле в 2001 и 2002 годах 146
3.2.5. Возможные цитогенетические механизмы адаптации в клетках проростков березы повислой из 1-км зоны Нововоронежской АЭС в 2001 и 2002 годах 162
3.3. Сходство и различия в реакциях тест-объектов на стрессовое воздействие окружающей среды в 1-км зоне Нововоронежской АЭС в 2001 и 2002 годах 165
3.3.1. Сходство и различия цитогенетических показателей тест-объектов в 1-км зоне Нововоронежской АЭС и в контроле в 2001 и 2002 годах 165
3.3.2. Сходство и различия в корреляции цитогенетических характеристик тест-объектов из 1-км зоны Нововоронежской АЭС в 2001 и 2002 годах 168
3.4. Перспективы использования цитогенетических характеристик древесных растений для мониторинга среды в районе АЭС 169
3.4.1. Чувствительность цитогенетических показателей семенного потомства древесных растений по данным исследования 173
3.4.2. Схема загрязненности 1-км зоны Нововоронежской АЭС по данным цитогенетических показателей семенного потомства двух видов древесных растений 176
3.4.3. Прогноз степени генетического риска для людей, длительное время находящихся в районе Нововоронежской АЭС, по цитогенетическим показателям семенного потомства древесных растений 182
3.4.4. Заключение. Использование цитогенетических характеристик древесных растений для мониторинга среды в районе АЭС 185
ВЫВОДЫ 188
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ (32 стр) 191
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (список публикаций - 3 стр) 223
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (схема опытной территории - 4 стр) 226
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 (графики к главе 3.1 - 6 стр) 230
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 (микрофотографии - 7 стр) 236
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 (таблицы - 9 стр) - 243
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 (таблицы к полим. - 10 стр) 252
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 (граф. коррел. - 6 стр) 262
ПРИЛОЖЕНИЕ 8 (кластеры - 7 стр) 268
ПРИЛОЖЕНИЕ 9 (схема территории - 10 стр) 275
Введение к работе
Актуальность темы. Среди множества факторов, негативно влияющих на популяции, биоценозы и биоту в целом особое место занимает радиоактивное загрязнение (Егоров, 1988; Гусева, 1999; Железнов, 1999). АЭС представляют потенциальную опасность для людей, особенно проживающих на близлежащих территориях, в связи с чем крайне важно постоянно отслеживать обстановку вокруг АЭС. Наряду с используемыми в этих целях методами дозиметрии существенную информацию может дать изучение влияния условий среды вокруг станции непосредственно на хромосомный аппарат живых организмов, в частности древесных растений. Важным при этом является биологическая оценка воздействия малых доз радиации, а также синергических и куммулятив-ных эффектов радиации с другими факторами среды. Исследования синергиче-ского воздействия факторов физической и химической природы показали возможность сохранения данных эффектов при пропорциональном изменении величины действующих агентов (Петин и др., 1999). Подобные явления очень часто наблюдаются в биоценозах при незначительных уровнях антропогенного загрязнения. В условиях радиоактивного загрязнения биота испытывает комплексное действие всех компонентов среды обитания, среди которых радиационный фактор часто выступает как мощный неадекватный стресс-раздражитель (Гродзинский, Булок, Гудков, 1995).
В связи с этим биологические методы контроля за происходящими изменениями окружающей среды, позволяющие оценить сочеташюе действие всех неблагоприятных факторов на живые организмы вне зависимости от дозы и времени их воздействия, обладают бесспорным преимуществом перед широко распространенными методами физико-химического контроля (Каракин и др., 1999). Особый интерес могут представлять результаты цитогенетического мониторинга окружающей среды с использованием древесных растений как хвойных, так и лиственных, что обусловлено возможностью экстраполяции полученных результатов на человека (Буторина, Калаев, Карпова, 2002; Карпова и др., 2006). Проведение цитогенетического мониторинга с применением в качестве тест-объектов древесных растений около крупнейшего радиационоопасно-го объекта Воронежской области - Нововоронежской АЭС - перспективно, т.к. она проработала уже более 40 лет (начиная с 1964 г). Древесные растения широко представлены в насаждениях около станции, что позволяет создать схему загрязнения изучаемой территории. Они являются многолетниками и испытывают длительное время воздействия от работы АЭС, поэтому с ними можно проводить долговременные исследования. Учитывая важность использования древесных растений в качестве тест-объектов для цитогенетического мониторинга актуально также давать сравнительную оценку радиочувствительности разных видов, произрастающих в сходных условиях.
Цель работы - изучить цитогенетические характеристики сосны обыкновенной и березы повислой, произрастающих в лесных насаждениях 1-км зоны Нововоронежской АЭС для оценки загрязнения среды в районе исследований.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить цитогенетические характеристики у сосны обыкновенной и березы повислой, произрастающих в экологически благополучных условиях среды, и выявить особенности цитогенетических реакций на антропогенное загрязнение среды семенного потомства данных видов древесных растений в 1-км зоне Нововоронежской АЭС;
2. Изучить возможные корреляционные взаимосвязи цитогенетических характеристик у сосны обыкновенной и березы повислой, произрастающих в экологически благополучных условиях среды и в 1-км зоне Нововоронежской АЭС;
3. Изучить степень мутабильности цитогенетических показателей семенного потомства сосны обыкновенной из 1-км зоны Нововоронежской АЭС и экологически благополучной территории для выявления групп проростков по степени их мутабильности и устойчивости;
4. Рассмотреть возможные цитогенетические механизмы адаптации древесных растений к стрессовым факторам;
5. Провести цитогенетический мониторинг 1-км зоны Нововоронежской АЭС и составить карту загрязнения этой территории с учетом полученных данных;
6. Определить перспективность использования цитогенетических показателей семенного потомства сосны обыкновенной и березы повислой для мониторинга загрязнения районов АЭС;
7. Дать прогноз на степень генетического риска для человека в исследованной зоне Нововоронежской АЭС.
Научная новизна работы. Впервые выполнено долговременное, развернутое исследование цитогенетических характеристик у сосны обыкновенной в 1-км зоне действующей Нововоронежской АЭС. Выявлена частота и специфика наблюдаемых нарушений митоза.
Определены цитогенетические реакции семенного потомства сосны обыкновенной и березы повислой (митотическая активность, распределение клеток по стадиям митоза, уровень и спектр патологий митоза, частота встречаемости клеток с микроядрами и с остаточными ядрышками на стадиях митоза, ядрышковая активность, а также размер ядрышек, тип одиночных ядрышек, соотношение гомоморфных и гетероморфных парных ядрышек, размер большого и малого гетероморфных ядрышек у проростков березы) на антропогенное загрязнение в районе Нововоронежской АЭС.
Проведена сранительная оценка чувствительности сосны и березы к воздействию работы АЭС по их цитогенетическим параметрам.
Рассмотрены цитогенетические механизмы адаптации выбранных тест-объектов к неблагоприятным факторам среды при помощи изменения ядрыш-ковых характеристик. У хвойных видов (сосна обыкновенная) это проявляется в увеличении количества ядрышек в ядре, у древесных видов с малым числом ядрышек в ядре (береза повислая) механизм компенсации протекает сразу по двум направлениям: усиление активности уже работающих и включение в работу до этого спящих ядрышкообразующих районов, а также в повышении ге тероморфизма парных ядрышек. Кроме того, оба исследованных вида имеют клетки с остаточными ядрышками, как в интерфазе, так и на стадиях метафазы-телофазы митоза.
Построена схема загрязненности 1-км зоны Нововоронежской АЭС, по патогенетическим характеристикам тест-объектов и показано, что уровень загрязнения в настоящее время в целом не превышает средний, но является мозаичным. Обоснована степень генетического риска для людей, работающих в районе исследований.
Методами кластерного анализа выявлен полиморфизм цитогенетических показателей семенного потомства сосны обыкновенной в 1-км зоне Нововоронежской АЭС и в контроле. Установлены группы семян сосны обыкновенной наиболее и наименее устойчивых к антропогенным загрязнениям и дано сравнение уровня полиморфизма данных показателей между контрольным и опытным вариантами.
Практическое значение. Дана интегральная оценка состояния среды в 1-километровой зоне Нововоронежской АЭС по цитогенетическим характеристикам сосны и березы, произрастающих в защитных насаждениях станции.
Показана перспективность параллельного исследования цитогенетических показателей разных видов древесных растений для ранней диагностики состояния среды и выявления динамики мутагенных эффектов ее загрязнения.
Установлено, что цитогенетические реакции семенного потомства тест-объектов могут служить объективным показателем для оценки состояния экосистемы в районе АЭС.
Выявленные группы более устойчивых проростков сосны обыкновенной могут найти предпочтение в использовании для создания защитных насаждений в зонах с повышенной антропогенной нагрузкой.
Теоретическое значение. Выявлено наличие корреляций между цитоге-нетическими показателями у каждого из тест-объектов.
Установлены цитогенетические реакции хвойных и лиственных древесных растений на загрязнение, обусловленное работой АЭС.
Положения, выносимые на защиту:
1. Исследованные цитогенетические характеристики семенного потомства сосны обыкновенной и березы повислой в 1-км зоне НВАЭС отражают динамику их состояния по годам в зависимости от погодных условий и характера и степени антропогенного загрязнения.
2. Отмечено принципиальное сходство цитогенетических реакций на факторы среды у семенного потомства березы повислой и сосны обыкновенной по таким показателям как увеличение ядрышковой активности, уровня и спектра нарушений митоза относительно контроля и предыдущего года изучения, а также изменение величины митотической активности на опытных участках относительно друг друга и по сравнению с контролем.
3. Выявлены корреляции показателей у семенного потомства березы повислой и сосны обыкновенной. Более высокое количество корреляционных связей отмечено между цитогенетическими параметрами у тест-объектов, произрастающих на опытных территориях по сравнению с контролем.
4. Установленный полиморфизм цитогенетических характеристик у семенного потомства сосны обыкновенной в 1-км зоне НВАЭС и в контроле позволяет выделить группы наиболее и наименее мутабильных форм, из которых наименее мутабильные можно рассматривать как более устойчивые к факторам среды. Данные формы проростков могут представлять ценный материал при создании защитных насаждений в антропогенно загрязненных районах (менее мутабильные формы). Наиболее мутабильные формы проростков могут использоваться в качестве индикаторов состояния среды.
5. Показана возможность картирования территории по степени загрязнения на основании цитогенетических характеристик древесных тест-объектов и использование их в целях определения степени генетического риска для человека.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на 3 Международ, конференции из серии «Нелинейный мир» (Москва, 1998), 1-й региональной научнотпрактической студенческой конференции по проблемам регионального природопользования и методике преподавания естественных наук в средней школе (Воронеж, 1999), Симпозиуме по проблемам повышения экологических функций леса (Воронеж, 2000), Международ, научн.-практич. конференции «Интеграция фундаментальной науки и высшего лесотехнического образования по проблемам ускоренного воспроизводства, использования и модификации древесины» (Воронеж, 2000), IV Международной конференции «Промышленная ботаника: состояние и перспективы развития» (Донецк, 2003), V Международном совещании и Школе молодых ученых по «Кариологии, карио-систематике и молекулярной систематике растений» (Санкт-Петербург, 2005), а также материалы диссертации представлялись на научных сессиях ВГУ (Воронеж, 1999, 2000, 2001, 2003, 2004,2005 гг.).
Часть исследований выполнялась в рамках и при частичной финансовой поддержке НИОКР Министерства природных ресурсов РФ «Биогеосферные исследования состояния и динамики природной среды в условиях интенсивного воздействия антропогенных факторов на территории Центрально-Черноземного региона» (государственный контракт № ВК-02-47/301) и НИОКР Федерального агентства по науке и инновациям «Цитогенетические реакции древесных растений (на примере лиственных и хвойных) на стрессовые условия, обусловленные антропогенным загрязнением, и оценка генотоксичности окружающей среды для человека по цитогенетическим показателя м древесных растений» (государственный контракт № 02.512.11.2130).
За публикации по материалам исследования по итогам Всероссийского открытого конкурса работ по естественным, техническим и гуманитарным наукам в ВУЗах РФ в разделе «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» (1999 г.) награждена дипломом Министерства образования РФ.
• Являлась стипендиатом администрации Воронежской областной в 2002— 2003 уч.году.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 8 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, списка цитируемой литературы и 9 приложений. Работа содержит 193 страницы текста, 21 таблицу, 30 рисунков. Список цитируемой литературы включает 303 источника.
