Мониторинговый контроль состояния водных экосисем на основе цитогенетических методов

Экологические последствия загрязнения природной среды превратились в одну из приоритетных глобальных проблем, особенно для промышленных и экономически развитых стран. Загрязнение биосферы вредными веществами, появление новых химических соединений, повышение радиоактивности и т. д. угрожает состоянию окружающей среды, здоровью населения и ограничивает возможности дальнейшего сбалансированного развития общества.

Высокий уровень развития промышленности и сельского хозяйства в Донецко-Приднепровском регионе привел к повсеместному загрязнению окружающей среды ксенобиотиками, многие из которых обладают мутагенным и генотоксичным действием. Значительная часть этих соединений оказывается в водных экосистемах, вызывая генетические нарушения и заболевания гидробионтов и представляя существенную опасность для человека [1].

Традиционные способы оценки качества воды путем физико-химических анализов сложны и дорогостоящи. Кроме того, следует учитывать, что генотоксические вещества действуют на живые организмы не изолированно, а в разных сочетаниях и концентрациях компонентов. Поэтому решение сложной проблемы определения суммарного действия присутствующих в воде мутагенов и промутагенов на биоту целесообразно путем биоиндикации с использованием и цитогенетических методов исследования [2].

Современная система мониторинга присутствия в окружающей среде веществ обладающих мутагенными свойствами должна базироваться на использовании биологических тест-систем. Именно на основании их откликов проводится оценка генетического риска загрязнений окружающей среды. Для оценки мутагенности загрязнителей окружающей среды необходим анализ комплекса тест-систем, из которых наиболее широко применяются: бактерии – Salmonella typhimurium и E. coli; грибы – Neurospora crassa, Aspergillus nidulans, дрожжи; растения – Vicia faba L., Crepis capillaris (L.) Wallr, Tradescantia poludosa L. (clone 2); насекомые – Drosophilla melanogaster; культуры клеток животных и др. [3].

При экологическом мониторинге состояния пресноводных водоемов с целью дальнейшей разработки мероприятий по регламентации или прекращению сброса вредных веществ в водоемы выделены следующие первоочередные задачи токсико-генетических исследований с биотестированием и биоиндикацией:

– выявление генотоксического действия загрязнителей;
– изучение накопления ксенобиотиков в тканях гидробионтов и метаболической активности не мутагенных загрязнителей;
– генетико-токсикологический анализ образцов промышленных сточных вод;
– химическая идентификация мутагенных компонентов промышленных сточных вод и других жидких отходов антропогенной деятельности.

В зависимости от целей исследования для выявления генотоксического и мутагенного действия токсикантов в водной среде могут быть использованы различные цитогенетические методы [4].

В рамках современного экологического мониторинга загрязнений водной среды возможны следующие подходы:

– проведение исследований в природных популяциях микроорганизмов (одноклеточных водорослей), фитопланктона, зообентоса, исследования клеток высших водных растений, личинок насекомых, амфибий, рыб и др. гидробионтов для определения мутагенности суммарных загрязнений, накопившихся в данной водной экосистеме [5,6];

– определение потенциальной мутагенности проб воды в лабораторных условиях на ряде тест-объектов [7, 8].

Наряду с модельными тест-системами весьма перспетивными оказываются биосферные тест-системы, когда на разных видах в природе исследуются генетические последствия суммарной загрязненности окружающей среды мутагенами. При этом биологическая дозиметрия и изучение последствий антропогенного загрязнения окружающей среды мутагенами, по мнению ряда авторов, в первую очередь должны опираться на генетические и цитогенетические методы исследований [3, 9].

При конструировании комплекса тестов следует включать в них организмы различных уровней организации, учитывая неоднозначность откликов различных тест-систем на разнообразность загрязнений данных проб воды (одна тест-система может оказаться более чувствительной к загрязнению воды нефтепродуктами, другая – к тяжелым металлам, третья – пестицидам и т.д.). Выбор методов определяется всегда предполагаемыми загрязнителями и конкретными условиями лабораторий.

Увеличение числа аберраций хромосом в клетках меристематических тканей является неспецифичной реакцией клеток живых организмов на действие мутагенов окружающей среды, которая проявляется при действии факторов различной природы. Этот цитогенетический показатель организмов-биоиндикаторов может служить критерием загрязненности экосистем радионуклидами, тяжелыми металлами, пестицидами [3, 10].

Отправным моментом при проведении цитогенетических исследований является выбор тест-систем.

В качестве тест-объектов при исследовании экологического состояния природных вод Донецко-Приднепровского региона нами были выбраны высшие водные растения: рдест блестящий (Potamogeton lucens L.), элодея (Helodea Canadensis Rich), валлиснерия (Vallisneria spiralis L.), ряска (Lemna minor L.), резуха большая (Najas major All.), уруть колосистая (Myriophyllum spricatum L.).

Для контроля мутагенной активности ила и донных отложений, аккумулирующих различные загрязнения, представляется целесообразным в качестве объектов наблюдений включить в систему биотестов представителей прибрежно-водных растительных сообществ: тростник южный (Phragmites australis (Cav), частуха подорожниковая (Alisma plantago-aguatica L.), у которых хорошо развита корневая система с крупными меристематическими клетками. Эти растения также отличаются небольшим количеством хорошо различимых на цитологических препаратах крупных хромосом.

Среди животных организмов удобными объектами для цитогенетического мониторинга загрязнений водной среды являются представители позвоночных: костистые рыбы и амфибий. Являясь конечным звеном трофической цепи водоемов, они аккумулируют различные токсиканты и постоянно подвергаются действию загрязнителей, растворенных в воде.

Из представителей рыб, как наиболее распространенных в зоне исследований, были выбраны два индикаторных вида: плотва (Rutilus rutilus L.), карась серебряный (Carassius (aurata) gibilio Block), и из земноводных: лягушка озерная (Rana ridibunda Pall.), лягушка прудовая (Rana esculenta L.), лягушка остромордая (Rana terrestris Andr.). Следует отметить, что бесхвостые амфибии могут служить для целей мониторинга генетических последствий загрязнения как водной, так и наземной среды.

Биоиндикация качества природных вод с использованием цитогенетических методов проводилась нами на р. Самара (с. Александровна Днепропетровского района и с. Вербки Павлоградского района) и на р. Днепр в районе жилмассива Победа и Cтана 550 (набережная р. Днепр в г. Днепропетровск).

В указанных пунктах в летнее время были взяты пробы корневых меристем трех видов водных растений: резуха большая, элодея канадская и тростник южный. В указанных местах был произведен также отлов двух видов рыб (плотва и карась) и лягушек, у которых была взята для исследования периферическая кровь (мазки). Проведен анализ частоты встречаемости аберрантных хромосом и микроядер в клетках биоиндикаторов.

По результатам биоиндикации был определен уровень общего токсико-мутагенного фона природных водоемов, обусловленный комплексным действием совокупности загрязнителей. Приведение всех полученных данных в единую систему условных показателей повреждаемости биосистем (УПП) позволило осуществить интегральную оценку экологического состояния исследуемых водоемов по сравнению с экологически оптимальными контрольными параметрами.

Результаты исследований представлены в табл. 1.

По полученным экспериментальным цитогенетическим данным была проведена оценка экологического состояния водных экосистем на основании расчета условных показателей повреждаемости (УПП) биоиндикаторов.

Интегральные условные показатели повреждаемости, характеризующие мутагенность (ИУППмут), определялись по формуле:

,

где УПП1, УПП2…. УППm – интегральные условные показатели повреждаемости биоиндикаторов (m = количество тест-показателей) [10].

Для оценки экологического состояния водных объектов использовали универсальную оценочную шкалу, приведенную в табл. 2.

Таблица 1 – Использование цитогенетических методов для оценки мутагенной активности природных вод Украины


Тест-полигон

Биотест

Интегральный показатель состояния окружающей среды (ИУПП)*

Состояние водных экосистем

Частота ана-, телофазных аберраций в корневой меристеме водных растений, %

Частота микроядер в клетках крови водных позвоночных животных, %

р. Самара, с. Александровка Днепропетровского р-на

1,83 ± 0,35

0,37 ± 0,040

0,062

Благоприятное

р. Самара, с. Вербки Павлоградского р-на

1,66 ± 0,33

0,14 ± 0,015

0,043

Благоприятное

р. Днепр, г. Днепропет-ровск, ж/м Победа

5,65 ± 0,60

1,28 ± 0,14

0,262

Конфликтное

р. Днепр, г. Днепропет-ровск, Стан 550

7,87 ± 0,69

2,8 ± 0,31

0,504

Угрожающее

*Примечание: ИУПП – интегральный показатель токсичности и мутагенности гидросферы по тестам: “Митотическая активность” и “Аберрантность хромосом” в клетках корневой меристемы водных растений и “Микроядерный тест” в клетках крови водных позвоночных животных.

Таблица 2 – Шкала оценки экологического состояния водных объектов по об щему
токсико-мутагенному фону


Диапазон значений УПП

Уровень повреждаемости биоиндикаторов

Состояние экосистем

Экологическая ситуация

0,000-0,250

Низкий и ниже среднего

Эталонное и благоприятное

Безопасная

0,251-0,500

Ниже среднего

Конфликтное

Конфликтная

0,501-0,750

Выше среднего

Угрожающее

Опасная

0,751-1,000

Высокий

Катастрофическое

Чрезвычайно-опасная

Полученные данные (табл. 1) показывают, что воды р. Самары в двух исследованных пунктах обладают низким уровнем мутагенности, о чем свидетельствуют низкий процент хромосомных аберраций в клетках эндогенных биоиндикаторов (1,66-1,83 %). Вода р. Днепр имеет мутагенную активность в 3,1-4,7 раз превышающую мутагенную активность вод р. Самары.

Согласно приведенным данным, состояние водной экосистемы р. Самара в исследованных пунктах можно оценить как благоприятное, а экологическую ситуацию как безопасную с точки зрения токсико-мутагенного фона. Состояние экосистемы р. Днепр в районе г. Днепропетровска может быть оценено как конфликтное и угрожающее в различных точках исследования, о чем свидетельствует высокий уровень частоты встречаемости хромосомных аберраций у растительных тест-объектов и микроядер в клетках крови гидробионтов животного происхождения.

Выводы: На основании литературных данных и проведенных исследований можно сделать заключение о перспективности применения биоиндикаторов, цитогенетических и генетических методов для оценки мутагенной активности объектов окружающей природной среды. Для объективной оценки техногенной и мутагенной ситуации экосистем необходима система биоиндикаторов и набор анализируемых показателей, позволяющих на разных уровнях организации учесть отклики живых организмов на действие повреждающих факторов.

Преимуществом использования методов биоиндикации для оценки качества окружающей природной среды является то, что они позволяют адекватно отразить сочетанный эффект воздействия на биоту и человека всей совокупности загрязнителей и установить уровни общей токсичности и мутагенности тестируемых объектов. Анализ ингредиентного состава экотоксикантов этих же объектов позволит установить приоритетные мутагены и на научной основе разработать систему мероприятий, направленную на уменьшение мутагенного фона и генетического риска для биоты и населения.

Биоиндикация мутагенов должна стать частью системы цитогенетического мониторинга Украины, реализация которого позволит создать компьютерный банк данных об изменениях в биоиндикаторах под влиянием загрязнителей, вычислить критерии генетического риска для различных экосистем и человека, а также разработать биоэкологическую карту Украины по мутагенному фону.

Цитогенетические критерии могут быть использованы также для оценки эффективности реабилитационных мероприятий, направленных на уменьшение загрязнения объектов окружающей среды (воды, почвы, воздуха) для оценки состояния рекреационных зон, заповедников, состояния земельных ресурсов и т.д.

Таким образом, полученные экспериментальные данные свидетельствуют о возможности применения разработанной системы цитогенетических критериев для оценки мутагенной активности природных вод и являются перспективными для комплексного цитогенетического мониторинга состояния пресноводных водоемов промышленно нагруженных регионов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Сердюк А.М. Навколишнє середовище і здоров’я населення // Довкілля та здоров’я. - № 4(7).-1998.-С. 2-6.
  2. Тимченко О.І., Сердюк А.М., Турос О.І. Гігієна довкілля: політика, практика, перспективи. - Київ: “Преса України”. – 2000. – 127с.
  3. Генетические последствия загрязнения окружающей среды // И.Р. Бариляк, Т.И.Бужиевская, А.И.Быкорез и др. - Киев: Наукова думка.-1989.-232 с.
  4. Соколовский В.В., Журков В.С. Оценка суммарной мутагенной активности факторов окружающей среды // Гигиена и санитария. - 1982. - № 11. - С.7-11.
  5. Лекявичюс Р.К. Химический мутагенез и загрязнение окружающей среды.- Вильнюс : Мокслас,1983.- 233 с.
  6. Дуган А.М. Salmonella typhimurium как тест-система выяления мутагенной активности загрязнителей окружающей среды // Цитология и генетика.- 1994.-Т.28,N3.- С.37-41.
  7. Дуган О.М. Про мутагеннiсть продуктiв первинного хлорування води // Матерiали II з`їзду медичних генетикiв України.-Львiв.- 1995.- C.63.
  8. Горовая А.И., Скворцова Т.В., Дигурко В.М. Цитогенетическая оценка мутагенного фона в промышленном Приднепровье // Цитология и генетика. – 1995. – 29, № 5. – С. 16 - 22.
  9. Горовая А.И., Бобырь Л.Ф., Скворцова Т.В., Дигурко В.М., Климкина И.И. Методологические аспекты оценки мутагенного фона и генетического риска для человека и биоты от действия мутагенных экологических факторов // Цитология и генетика. – 1996. - 30, №6. – С. 78-86.
  10. Методичні рекомендації: «Обстеження та районування території за ступенем впливу антропогенних чинників на стан об’єктів довкілля з використанням цитогенетичних методів» // Горова А.І., Риженко С.А., Скворцова Т.В. и др. Рекомендовано МОЗ України (Наказ №184 від 13.03.07.). - Головне базове видавництво МОЗ України ДП „Центр інформаційних технологій”. ДМП „Полімед”. – Київ, 2007. – 35 с.

УДК 575.224:577.4:581.17
Горовая А.И. Мониторинговый контроль состояния водных экосисем на основе цитогенетических методов [Електронний ресурс]  / [Горовая А.И., Скворцова Т.В., Павличенко А.В., Лисицкая С.М.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.314–317. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet