Содержание к диссертации
Введение
1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ АЛЮМИНИИ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯХ 11
1.1 Краткие сведения о химических формах алюминия в окружающей среде И
1.2 Основные пути распространения токсичных соединений алюминия 14
1.3 Токсические эффекты воздействия алюминия и его соединений на человека, животных и растения 18
1.4 Толерантность растений и признаки токсичности при воздействии ионов алюминия 28
1.5 Информационно - справочная система «Экология и токсикология алюминия» - как собрание сведений о многообразии форм алюминия в биосфере 30
1.6 Структурная модель биогеохимического цикла алюминия 32
1.7 Концептуальная модель данных об экологии и токсикологии алюминия 35
1.8 Создание информационно-справочной системы «Экология и токсикология алюминия» на основе предложенного принципа систематизации информации об алюминии 36
1.9 Обоснование выбора метода и материалов исследования 37
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1 Тест - объекты 41
2.1.1 Подземные воды в окрестностях города Обнинска 41
2.1.2 Колеоптили пшеницы 44
2.1.3 Клетки корневой меристемы пшеницы 46
2.1.4 Традесканция 46
2.1.5 Сорта пшеницы, используемые в исследованиях 48
2.2 Подготовка химических реактивов 49
2.2.1 Приготовление растворов алюминия и определение рН 49
2.2.2 Приготовление растворов хлорида железа 49
2.3 Методы проведения исследований 50
2.3.1 Химический анализ воды родников 50
2.3.2 Определение биомассы проростков пшеницы 51
2.3.3 Определение прироста отрезков колеоптилей пшеницы 51
2.3.4 Определение митотического индекса 52
2.3.5 Определение тератогенного и токсического действия с помощью традесканции 52
2.3.6 Определение иммуномодулирующего действия алюминия 53
2.4 Статистическая обработка результатов 56
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1 Сравнительный анализ результатов исследования воды родников химическим методом и биотестированием 59
3.2 Влияние сопутствующих металлов на определение фитотоксичности алюминия и его выявление в водных объектах. Влияние ионов железа 61
3.3 Применение биотеста «колеоптили пшеницы» для определения фитотоксичности железа 62
3.4 Действие алюминия в различных концентрациях на прирост длины колеоптилей пшеницы 64
3.5 Действие алюминия на прирост биомассы проростков пшеницы при разных значениях рН 66
3.5.1 Действие алюминия на рост корня проростка пшеницы при разных значениях рН 70
3.5.2 Действие алюминия на рост ростка пшеницы при различных значениях рН 72
3.6 Влияние алюминия на прирост отрезков колеоптилей пшеницы при разных значениях рН 74
3.7 Влияние хлорида алюминия в различных концентрациях на изменение величины митотического индекса 76
3.8 Влияние хлорида алюминия на изменение величины митотического индекса при различных значениях рН 78
3.9 Влияние алюминия на репродуктивную способность и образование морфологических аномалий в клетках традесканции 79
3.10 Определение сортов пшеницы по чувствительности к действию алюминия 81
3.11 Влияние алюминия на процессы растяжения и деления клеток у разных по чувствительности сортов пшеницы 87
3.12 Иммунотоксическое действие хлорида алюминия 89
Заключение 92
Выводы 97
Список литературы 99
Приложение 119
- Токсические эффекты воздействия алюминия и его соединений на человека, животных и растения
- Статистическая обработка результатов
- Влияние хлорида алюминия в различных концентрациях на изменение величины митотического индекса
Токсические эффекты воздействия алюминия и его соединений на человека, животных и растения
Важнейшее значение для здоровья человека имеет общее количество поступающего в разных формах алюминия в организм. Суточная потребность в алюминии взрослого человека 35-49 мг [Underwood, 1977]. К основным источникам поступления в организм человека следует отнести -пищу, питьевую воду, чай, запыленный атмосферный воздух, лекарственные препараты, алюминиевую посуду, дезодоранты, бумажные полотенца и др. [Авцын, 1986; Kiglaka, 1984; Quatral, 1985; Toxicological profile for aluminum, 1997]. В большем количестве алюминий поступает с жидкостями (водопроводная вода, крепкий чай и др.) [Benson et al, 1990]. Исследования Greger J.L. показали, что безопасным является содержание всех форм алюминия в питьевой воде и диализных растворах до 10 мкг/л [Alfrey, 1993; Greger, 1992]. В нашей стране эта крупнейшая медико-экологическая проблема еще не воспринята. По стандарту (ГОСТ 18165-81); токсикологический показатель для остаточного алюминия составляет 0,5 мг/л, а отсутствие постоянного специального контроля разных форм его нахождения (в том числе коллоидных) может привести к массовому поражению населения, как это имело место в 70-х годах в Англии. Более того, для фторирования питьевой воды в нашей стране рекомендуется наряду с другими соединениями применять флюраль [A1F(S04)2] [ Лутай, 1992; EUenhorn, Barceloux, 1988]
Установлено, что алюминий является элементом в организме человека, влияющем на активность ряда ферментов, на репродуктивную способность, эмбриональное и постэмбриональное развитие [Авцын и др., 1991].
Несмотря на высокое содержание алюминия в природной среде, в организм поступает ежедневно лишь 2-3 мг этого элемента. Только небольшая часть этого количества всасывается в желудке и в проксимальном отделе двенадцатиперстной кишки, откладывается в печени, костях и сером веществе головного мозга. Общее содержание А1 в теле взрослого человека находится в пределах 50 - 140 мг. Содержание в крови 0,024 - 0,070 мг %, большей частью в сыворотке, в легких 0,059 мг/г, в трубчатых костях 0,5, в сердце 0,056-0,21, в кишечнике 0,087, в мозге 0,04-0,25, в мышцах 0,015 мг/г, в золе головного мозга до 0,0158 %, в золе женского молока до 0,01 %, в волосах 2,93 мг% [Krosovskii, Vasukovich, 1979; Van de Vyver, De Broe, 1985].
Избыточному поступлению алюминия в организм препятствует гомеостатический механизм, который способствует выделению этого микроэлемента. Выводится алюминий из организма в основном через почки -до 10 - 15 мкг в сутки, при избыточном поступлении микроэлемента экскреция возрастает в 20 - 40 раз [Alfrey, 1980; Alfrey et al, 1980 ].
Установление нейротоксичности алюминия оказало сильное влияние на выбор приоритетных направлений исследований во многих областях науки. К важнейшим клиническим проявлениям нейротоксического действия этого микроэлемента относят нарушения двигательной активности, судороги, снижение или потерю памяти, психотические реакции - «миоклоническую энцефалопатию» [Alfrey, 1981; Bilkei-Gorzo, 1991; Bolla et al, 1992 ]. Одной из разновидностей этого синдрома является «диализная энцефалопатия», возникающая при гемодиализе, когда поступление алюминия в кровь пациента может довести его содержание до 0,180 - 0,5 мг/л [Andersen, 1988; Andreolini et al, 1984]. Концентрация алюминия в головном мозге, особенно в сером веществе, достигает очень больших значений. Уже в 1978 г. было выяснено, что диализная энцефалопатия может сопровождаться остеомаляцией и связанными с ней неожиданными переломами костей. Для этой формы энцефалопатии также специфичны симптомы слабоумия [Goldberg, 1980; Dedman et al, 1992]. Эта тяжелая патология является прямым следствием системного токсического воздействия алюминия, обусловленного его накоплением и повышенной концентрацией в связи с этим в костной ткани. Литература, посвященная этому вопросу, содержит многочисленные экспериментальные факты [Martin, 1994b]. Авторы установили в экспериментах на мышах и крысах, что на ранних стадиях интоксикации алюминий вызывает не остеомаляцию, а задержку костеобразования [Golub et al, 1995; Peng et al, 1992].
В 1984 г. M.S.Polinsky и A.B.Gruskin показали, что при почечной недостаточности у маленьких детей тяжелая энцефалопатия может возникать после перорального применения карбоната алюминия и без диализа [Polinsky, Gruskin, 1984].
Токсичность алюминия у всех теплокровных проявляется главным образом, во влиянии на обмен веществ, в особенности минеральный, на функцию нервной системы, в способности действовать непосредственно на клетки - их размножение и рост; длительное вдыхание пыли алюминия и некоторых его соединений ведет к фиброзированию легочной ткани. Алюминий влияет на развитие эпителиальной и соединительной тканей, на регенерацию костных тканей, а также на обмен фосфора [Freda, MacDonald, 1990; Frick, Herrmann, 1990; Hackenberg, 1972; His et al, 1996; Wood et al, 1990]. Он оказывает воздействие на ферментативные процессы. В большинстве случаев катион А13+ замещает ионы-активаторы ферментов, например ионы Mg2+ и Са2+ , вследствие сходства ряда свойств ионов А13+ , Mg2+ и Са2+ . Избыток алюминия в организме тормозит синтез гемоглобина, так как благодаря довольно высокой комплексообразующей способности алюминия блокирует активные центры ферментов, участвующих в кроветворении [Авцын, 1986; Exley et al, 1992, Ganrot, 1986]. Важной проблемой современной психиатрии являются старческое слабоумие и вероятная связь той распространенной патологии с токсическим воздействием алюминия. Психическая неполноценность лиц пожилого возраста привлекает значительное внимание не только невропатологов и психиатров, но и организаторов здравоохранения. Американская психиатрическая ассоциация считает, что первичное дегенеративное слабоумие с началом его в старческом возрасте является именно тем заболеванием, которое в свое время описал А.Альгеймер [Crapper-McLachlan, 1986; Farra, Blair, 1989; Liss, Thornton, 1986]. По данным ВОЗ, у 1.5% населения земного шара старше 70 лет в 1995 г. была диагностирована болезнь Альцгеймера, однако, в последнее время, наибольшее количество случаев заболевания зарегистрировано у лиц в возрасте от 50 до 65 лет, известен также рад случаев заболевания болезнью Альцгеймера 27-30 летних людей [Кудрин и др., 2000]. Данные морфологического исследования показали, что изменения при этой форме слабоумия четко отличаются от тех изменений, которые свойственны атеросклерозу или гипертонической болезни [Мега,1996]. Имеются многочисленные замечания о взаимосвязи алюминия с развитием тяжелых нейродегенеративных заболеваний: болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и других заболеваний [Crapper-McLachlan, 1986; Farrar, Blair, 1989; Hamdy, 1990; Jamse, Norberg, 1995]B 1980 r. Yukawa и коллеги, нейтроноактивационным методом показали, что в нейронах головного мозга, содержащих нейрофибриллярные узелки, накапливается алюминий [Yukawa et al, 1980].
Статистическая обработка результатов
При статистическом анализе результатов измерений использовались стандартные показатели [Сборник задач по теории вероятности, 1970]. Среднее арифметическое ( а ), Среднее квадратичное отклонение отдельного измерения (S ), дисперсия ( а ).
Среднее арифметическое значение: А среднее квадратичное отклонение среднего арифметического считалось так:
S = — = , если n 20 .
л/И
Для определения дисперсии использовалась формула:
pa=S tan , где / - коэффициент Стьюдента.
Значения коэффициента tan в зависимости от величины а и п представлены в таблицах [Ровинский и др, 1978].
В данной работе полуширина доверительного интервала определялась при 95% уровне надежности, для которых значение коэффициента
Стьюдента tan=23, где а=0.95 и п—\0 . Результаты измерений представлены в таблицах в виде значения а± а.
Сравнение средних значений двух эмпирических совокупностей по критерию
Стьюдента
Задача о сравнении двух эмпирических распределений возникает обычно тогда, когда хотят проверить однородность эмпирического материала: если окажется, что две эмпирические совокупности распределены одинаково, то их можно будет считать выборками из одной и той же генеральной совокупности. Тогда их можно объединить в одну общую выборку большего объема, что приведет к сужению доверительного интервала для параметров. Эта задача решается путем вычисления критерия Стьюдента (достоверности различия) по формуле: S -стандартная ошибка первой выборки; S2 - стандартная ошибка второй выборки.
При нахождении значения t в таблице принимается, что число степеней свободы равно f = nl + n2 - 2. Коэффициент вариации вычисляется по формуле:
Сравнительный анализ результатов исследования воды родников химическим методом и биотестированием
За родниками в окрестностях и в черте г. Обнинска было установлено наблюдение с 1998 года. Результаты химического анализа, были полученные с помощью атомно-абсорбционного метода в Институте водных проблем РАН и подтверждены в сертифицированной лаборатории «Чистая вода» (МИФИ, Москва). В таблице 3.1 представлены результаты химического анализа воды родников.
Примечание: ПДК для алюминия в воде 0,5 мг/л
Следует отметить тот факт, что лето 1998 года было дождливым, средняя месячная норма выпадения осадков составляла от 70 до 120 мм. Напротив, среднемесячная норма осадков летом 2000 года составляла всего 35-60 мм. Поскольку во многом химический состав родниковой воды зависит от атмосферных осадков, которые могут быть «закисленными» и проходить через кислые почвы Нечерноземной зоны, то следовало бы ожидать, что результаты химического анализа покажут увеличение содержания алюминия в подземных водах летом 1998 [Злобина, 2002].
Влияние хлорида алюминия в различных концентрациях на изменение величины митотического индекса
Одним из основных показателей, характеризующих пролиферативную активность любой ткани, в том числе растительной, является митотический индекс, который показывает долю делящихся клеток в популяции или в ткани. В таблице 3.8 и на рис. 3.7 представлены данные о влиянии алюминия в различных концентрациях на величину митотического индекса клеток апикальной корневой меристемы пшеницы сорта «Элит».
Наиболее резкое снижение митотического индекса с величины 8,73% до 7,12%, наблюдается в интервале концентраций алюминия от 0,05 мг/л до 0,25 мг/л, что соответствует (0,1 - 0,5) ПДКВ(А1). Затем до концентрации 1 мг/л (2 ПДК) происходит равномерное снижение числа делящихся клеток. При увеличении концентрации алюминия от 1,25 мг/л до 5 мг/л (2,5 - 10) ПДКВ(А1), величина митотического индекса не меняется. Можно утверждать, что апикальная корневая меристема пшеницы состоит из активно делящихся и не способных к делению клеток. Так как поступление алюминия в ткани характеризуется двухфазностью: быстрое начальное и последующее медленное и длительность первой фазы зависит от концентрации раствора [Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989], то изменение величины митотического индекса свидетельствует о насыщении тканей корня алюминием уже при концентрации раствора 0,1 мг/л.
Для дальнейшего исследования влияния рН раствора на значение митотического индекса была использована концентрация хлорида алюминия 0,5 мг/л 1ПДКВ(А1).
В этом исследовании применялись семена пшеницы сорта «Элит». Результаты, проведенных экспериментов, по изучению зависимости величины митотического индекса от значений рН среды культивирования, которая содержит хлорид алюминия в концентрации 0,5 мг/л (1 ПДКВ), представлены в таблице 3.9.
Из полученных результатов видно, что максимальное значение митотического индекса отмечено при рН=5,0. При изменении рН среды культивирования в интервале от 3,4 до 5 величина митотического индекса увеличивается, а при изменении рН от 5 до 8 наблюдается снижение значения митотического индекса. По-видимому, при воздействии рН=5,0 происходят такие изменения в корнях пшеницы, которые влияют на образование новых клеток в зоне меристемы, показателем чего является митотический индекс. Мы полагаем, что эти эффекты значительнее проявляются при воздействии различных концентраций хлорида алюминия, чем при изменении рН среды культивирования. Вероятно, в таких условиях мишенями действия алюминия становятся хромосомы, что и приводит к нарушению процессов, обеспечивающих нормальное деление клеток в зоне меристемы корней.
Для выяснения возможного механизма снижения величины митотического индекса было исследовано его влияние на образование аберраций хромосом и обнаружено цитогенетическое действие алюминия на корни пшеницы [Буланова и др., 2001].
Такое исследование было проведено на кафедре нашего университета совместно с Булановой Н.Н., полученные результаты представлены в работах [Буланова и др, 2002; Synzynys et al, 2000b].
Таким образом, установлено, что наряду с подавлением процесса растяжения растительных клеток, происходит еще одно явление - алюминий подавляет деление клеток в корневой меристеме пшеницы и повреждает хромосомы [Бочков и др, 1972; Гераськин и др, 1995].
