Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время малые реки испытывают негативное влияние антропогенной деятельности, которое привело к деградации большинства рек, выражающееся в загрязнении вод, заиливании и зарастании русла (Филиппова А.В. и др., 2009).
Организация экологического мониторинга бассейнов малых рек является важнейшим звеном в системе мероприятий по охране и рациональному использованию водных экосистем, а гидроэкологические исследования остаются чрезвычайно актуальными, что связано с ролью малых рек в формировании и функционировании более крупных водоемов и водотоков, ландшафтов и биоценозов (Зинченко Т.Д., Розенберг Г.С., 2012).
Наиболее сильное техногенное воздействие в Оренбуржье испытывают малые реки, находящиеся в районах геохимических аномалий. Особенно это выражено в Медногорском территориально-производственном комплексе, где из-за несовершенства технологических процессов горнодобывающей и металлургической промышленности происходит загрязнение окружающей природной среды, обусловленное поступлением высоких концентраций ряда вредных химических элементов в природные воды (Самарина B.C. и др., 1999). К таким рекам относятся реки Блява и Кураганка, испытывающие сильное антропогенное воздействие, находясь в зоне Медногорского медно-серного комбината (Жгарева Н.Н. и др., 2007; Томилина И.И. и др., 2008; Иванова И.Ю., 2009; Филиппова А.В. и др., 2009).
Проблема загрязнения малой реки Блява освещена в ряде работ с использованием гидрохимических показателей (Боев В.М. и др., 2002; Куксанов В.Ф. и др., 2006; Куксанов В.Ф., 2009, Иванова И.Ю., 2009). В их исследованиях показано, что техногенное влияние вызвано в первую очередь технологическими процессами горнодобывающих и металлургических предприятий. Рядом авторов была проведена оценка экологического состояния рек Блява и Кураганка по показателям бентосных сообществ (Жгарева Н.Н. и др., 2007, Иванова И.Ю., 2009), а также оценка качества донных отложений рек Блява и Кураганка с использованием элементов триадного подхода (Томилина И.И, и др., 2008, Иванова И.Ю., 2009). Ивановой И.Ю. (2009) был проведен экологический мониторинг малых рек Блява и Кураганка, в рамках которого дана геохимическая и токсикологическая характеристика некоторых биотопов рек Блява, Кураганка и Сакмара, а также характеристика бентоса по основным показателям. Однако оценка токсичности далеко не в полной мере отражает опасные, особенно гено-токсические, последствия загрязнения природных объектов. Известно, что наибольшую опасность для здоровья настоящего и будущих поколений представляют соединения, обладающие способностью вызывать отдаленные эффекты: мутагены и канцерогены. Поэтому изучение суммарной мутагенной активности представляет собой наиболее перспективный подход к выявлению реального мутагенного потенциала воды и донных отложений (Владимирова М.Г., Семе-ненко В.Е., 1962; Saffiotti V., 1983; Цой P.M., Пак И.В., 1996; Крылова И.Н. и
др., 2000; Ахиянц И.Л., Сентюрова Л.Г., 2004), а малые реки Блява и Кураганка были выбраны в качестве примера в решении научной проблемы - оценки отдаленных последствий загрязнения малой реки токсикантами.
Цель работы: генотоксическая оценка состояния малых рек в условиях антропогенной нагрузки (на примере рек Блява и Кураганка Оренбургской области).
Задачи исследования.
-
Изучить пространственные изменения мутагенной и митотоксической активности воды и донных отложений рек Блява и Кураганка и дать характеристику генотоксической ситуации.
-
Исследовать спектр мутагенов и митотоксикантов, присутствующих в воде и донных отложениях с использованием экспериментальных тест-объектов.
-
Изучить межгодовые и сезонные изменения генотоксичности воды и донных отложений рек Блява и Кураганка на основе их мутагенной и митотоксической активности.
-
В модельном эксперименте оценить уровни мутагенного и митотокси-ческого воздействия генотоксикантов воды и донных отложений на клетки меристематической ткани Allium сера.
-
Выявить основные факторы генотоксического загрязнения воды и донных отложений малых рек Блява и Кураганка.
-
С использованием корреляционного анализа выявить зависимость различных типов мутаций от факторов генотоксического загрязнения воды и цельного грунта.
Научная новизна. Проведенное исследование пространственного распределения показателей митотоксической и мутагенной активности воды и донных отложений рек Блява, Кураганка и некоторых экотопов р. Сакмара показало высокое генотоксическое загрязнение рек в оба года исследования и миграцию генотоксикантов на значительные расстояния от Медногорской геотехнической системы с последующим их аккумулированием в донных отложениях рек, расположенных ниже г. Медногорска.
В воде и донных отложениях исследованных рек впервые выявлено присутствие мутагенов, индуцирующих генные и геномные мутации, а также хромосомные аберрации и присутствие широкого спектра митотоксикантов, влияющих на подготовку клетки к делению и прохождение митоза. Нарушение митоза связано с изменением количества клеток, вступающих в митоз или уменьшением числа образующихся клеток за счет монофазной или бифазной задержки прохождения митоза.
В межгодовой динамике генотоксической активности донных отложений установлено снижение уровня загрязнения генотоксикантами в период 2007-2010гг., а в сезонном аспекте генотоксичности воды и донных отложений не установлено четких закономерностей в содержании мутагенов и митотоксикантов, что свидетельствует о неравномерности поступления генотоксикантов в разные периоды гидрологического цикла реки.
Выявлено загрязнение воды и донных отложений исследованных малых рек и участка р. Сакмара полихлорированными бифенилами, с четкой сезонной динамикой (повышением в весенний и снижением в осенний период), содержание которых не было выше ПДК для почв и воды, однако превышало зарубежные нормативы для донных отложений, а наиболее высокий показатель ПХБ зафиксирован в районе г. Медногорска.
Разработан способ выявления загрязнения рек полихлорированными бифенилами (приоритетная справка по заявке на изобретение № 2012147605 от 8.11.2012).
Проведенный корреляционный анализ позволил выявить прямую корреляционную связь между содержанием подвижных форм тяжелых металлов в цельном грунте и ПХБ в воде с различными типами мутаций.
Теоретическая и практическая значимость работы. Расширены теоретические знания о последствиях токсического загрязнения малых рек (на примере рек Блява и Кураганка Оренбургской области), которые проявляются в мутагенной и митотоксической активности воды и донных отложений и миграции генотоксикантов в экотопы рек, расположенных ниже зоны их поступления.
Выявленные колебания генотоксической активности воды и донных отложений в разные периоды отбора проб позволили обосновать практическое предложение о необходимости регулярного контроля генотоксичности рек данного региона с одновременным проведением исследования мутагенной и митотоксической активности воды и донных отложений для эффективного мониторинга генотоксического загрязнения малых рек.
Выявленная высокая генотоксичность тяжелых металлов и ПХБ послужила основой для разработки методического письма по нормированию уровней содержания тяжелых металлов в донных отложениях поверхностных водных объектов («Методическое руководство по нормированию уровней содержания химических веществ в донных отложениях поверхностных водных объектов (на примере тяжелых металлов)»), а также разработки «Способа выявления загрязнения рек полихлорированными бифенилами» (приоритетная справка по заявке на изобретение № 2012147605 от 8.11.2012), что имеет важное практическое значение для совершенствования экологического мониторинга водных экосистем и решения практических вопросов хозяйственно-питьевого водоснабжения населения.
Внедрение результатов исследования в практику. Положения и результаты диссертационного исследования внедрены в научную и проектную деятельность Научно-внедренческого центра Международного исследовательского университета (акт внедрения от 18.01.2012).
Результаты исследований внедрены в практическую деятельность Управления Роспотребнадзора по Оренбургской области (акт внедрения от 29.03.2011 г.), в работу научно-производственной фирмы «Экобиос» (акт внедрения от 29.03.2011г.).
Материалы диссертационного исследования включены в лекционный
курс по экологии для студентов естественно-научного факультета Оренбургского государственного университета и внедряются в практику выполнения выпускных квалификационных работ студентов (акт внедрения от 17.06.2013).
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на IV и V Всероссийских научно-практических конференциях «Проблемы экологии Южного Урала»: Оренбург, 2009, 2011; на IV Международной конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины»: г. Ростов-на-Дону, 2011; на Международной научно-практической конференции «Устойчивое развитие территорий: управление природными, техногенными, пожарными, биолого-социальными и экологическими рисками»: Оренбург, 2011; на VI Российской научно-практической конференции с международным участием «Охрана природы и здоровье человека: проблемы медицины, биологии, экологии и новые научные технологии в XXI веке»: Оренбург, 2011; на IV Международной научной конференции «Актуальные проблемы общественных наук в условиях глобализации»: Москва, 2012; на XI Всероссийском съезде гигиенистов и санитарных врачей: Москва, 2012; на II Всероссийской конференции с международным участием студентов и молодых ученых в рамках «Дней молодежной медицинской науки», посвященной 125-летию со дня рождения чл.-корр. АМН СССР, профессора Ф.М. Лазаренко: Оренбург, 2013. Диссертация апробирована на расширенном заседании проблемной комиссии «Гигиена, экология, эпидемиология, общественное здоровье и здравоохранение» ОрГМА.
По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 статьи в рецензируемых научных журналах, обозначенных в списке ВАК для опубликования основных научных результатов исследований на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.
Положения, выносимые на защиту.
-
Выявленный спектр мутагенных и митотоксических эффектов у экспериментальных объектов свидетельствует о наличии в воде и донных отложениях рек Блява и Кураганка мутагенов и митотоксикантов, претерпевающих пространственную и временную динамику, которая определяется гидродинамическим режимом реки и миграционными процессами генотоксикантов.
-
Генотоксическая активность воды и донных отложений рек Блява и Кураганка обусловлена наличием генотоксикантов с различным характером действия, нарушающих как процессы подготовки клеток к делению, так и прохождение самого митоза, которые приводят к возникновению хромосомных аберраций и геномных мутаций.
-
Для эффективного мониторинга генотоксического загрязнения малых рек важно одновременное проведение исследований мутагенной и митотокси-ческой активности воды и донных отложений, регистрирующих не только широкий спектр генотоксикантов с мутагенным и митотоксическим эффектом, но и дающих представление об уровне повреждения генетического аппарата.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 230 страницах машинописного текста и включает введение, обзор литературы,
описание материалов и методов исследования, 5 глав собственных исследований, заключение, выводы, приложение. Библиографический список содержит 152 отечественных и 40 зарубежных источников литературы. Текст иллюстрирован 34 таблицами и 55 рисунками.
Связь работы с научными программами. Диссертационное исследование выполнено в ГБОУ ВПО «Оренбургская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения РФ в соответствии с открытым планом научно-исследовательской работы ГБОУ ВПО «ОрГМА Минздрава России» (№ гос. регистрации темы 01201001914).
