CC BY
29
DOI: 10.21870/0131 -3878-2017-26-4-43-51
Оценка влияния 90Sr на морфометрические показатели и уровень белков металлотионеинов в мягких тканях сухопутных моллюсков Bradybaena fruticum на биотопе регионального хранилища радиоактивных отходов
Лаврентьева Г.В.1'2, Шошина Р.Р.2, Мирзеабасов О.А.2, Сынзыныс Б.И.2
1 Калужский филиал Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана
(КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана), Калуга;
2 Обнинский институт атомной энергетики - филиал федерального государственного автономного
образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (ИАТЭ НИЯУ МИФИ), Обнинск
В рамках развития экоцентрической стратегии радиационной защиты наиболее разработанной является предложенная МКРЗ концепция «условных или референтных животных и растений». При этом предложенный МКРЗ набор из 12 референтных видов не является окончательным, необходимо включение и других представителей биоты в набор референтных, что требует обоснования, в том числе учёта особенностей формирования дозовых нагрузок и радиационно-индуцированных эффектов. В данной работе в натурном эксперименте осуществлена оценка влияния облучения сухопутных моллюсков вида Bradybaena fruticum радионуклидом 0Sr на изменение морфометрических показателей моллюсков (высота и диаметр раковины) и уровень белков металлотионеинов. Мощность поглощённой дозы облучения моллюсков была рассчитана посредством метода Монте-Карло (с учётом сценария самооблучения, облучения от 90Sr, аккумулированного в почве и накопленного в крапиве). В изучаемом диапазоне доз установлено достоверное радиационно-индуцированное изменение показателей высоты раковины и уровня белков металлотионеинов в мягких тканях моллюска вида Bradybaena fruticum. В связи с этим, а также, учитывая требования к референтным видам, моллюск Bradybaena fruticum может быть рассмотрен как альтернативный вид для расширения списка референтных видов, а показатели «высота раковины» и «уровень белков металлотионеинов» - как референтные показатели.
Ключевые слова: моллюск вида Bradybaena fruticum, мощность поглощённой дозы, метод Монте-Карло, высота раковины, диаметр раковины, белки металлотионеины, удельная активность 90Sr, референтный вид, референтный показатель, тяжёлые металлы.
Введение
Опасение относительно возможного неблагоприятного воздействия радиационного фактора на здоровье населения и окружающую среду является одним из сдерживающих факторов развития атомной энергетики. При этом несомненную актуальность представляет развитие экоцентрической стратегии радиационной защиты, в рамках которой наиболее разработанной является предложенная МКРЗ концепция «условных или референтных животных и растений» [1]. Предполагается, что использование основных рекомендаций МКРЗ, отражённых в Публикациях 91 и 108 [1, 2], позволит гармонизировать системы радиационной защиты природы и человека [3]. Следует отметить, что МКРЗ предлагает набор из 12 референтных видов, который удовлетворяет сформулированным Комиссией требованиям. Однако его практическое применение в определённых природно-климатических, геоморфологических, радиоэкологических условиях не всегда даёт адекватную оценку особенностей функционирования экосистем, поэтому концепция референтных видов подвергается критике [4, 5]. В связи с этим предложенный набор референтных видов не является окончательным, что требует обоснования для включения и других
Лаврентьева Г.В.* - доцент, к.б.н. КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, ИАТЭ НИЯУ МИФИ. Шошина Р.Р. - инженер; Мирзеабасов О.А. - доцент, к.т.н.; Сынзыныс Б.И. - проф., д.б.н. ИАТЭ НИЯУ МИФИ.
•Контакты: 248000, Калужская обл., Калуга, ул. Баженова, 2. Тел.: (4842) 77-45-05; e-mail: [email protected].
представителей биоты в набор референтных, в том числе с учётом особенностей формирования дозовых нагрузок и радиационно-индуцированных эффектов.
В настоящей работе рассмотрены особенности изменения морфометрических показателей и уровня белков металлотионеинов (белки-МТ) в мягких тканях моллюска вида улитка кустарниковая (БгабуЬаепа ИгиНоит) в условиях радиоактивного загрязнения 903г сухопутной экосистемы.
Площадкой для проведения исследований является биотоп регионального хранилища радиоактивных отходов в черте Калужской области, которое было создано в 50-е гг. прошлого века. В результате проведения контроля за химическим и радионуклидным составом подземных вод в оборудованных наблюдательных скважинах было установлено, что в 1998 г. произошла разгерметизация одной из ёмкостей хранилища и утечка радионуклидов [6, 7]. В результате чего в почве образовался неконтролируемый источник поступления радионуклидов в компоненты экосистемы. На основании многолетних исследований установлено, что радиоэкологическая обстановка на изучаемой территории обусловлена 90Эг [6, 8-10].
Материалы и методы
Пробоотбор. Для расчёта мощности дозы облучения сухопутного моллюска вида улитка кустарниковая (БгабуЬаепа ИгиНоит) и определения морфометрических показателей и белков-МТ в тканях моллюсков был осуществлён пробоотбор почвы, растительности, моллюсков.
Пробы почв были отобраны на 42-х локальных контролируемых участках (рис. 1) с помощью специализированного пробоотборника с набором ручных почвенных буров Эдельмана («Eijkelkamp», Нидерланды). Пробоотбор моллюсков вида БгабуЬаепа ИгиНоит осуществляли с растений (крапивы) и с почвы под растениями. Осуществлялся пробоотбор моллюсков среднего возраста в количестве 25-30 особей с одного локального участка. Ввиду того, что в кормовой
/-\ 10а • « Юс
^—' емкость для хранения ю* 10Г* •
• 10Ь 10]
жидких РАО 9 т.* .
• локальные участки .11
Рис. 1. Карта-схема локальных участков пробоотбора.
базе моллюсков предпочтение отдаётся кальциефильным растениям, был осуществлён пробо-отбор крапивы двудомной (Uriica dioica).
90
Определение содержания Sr и тяжёлых металлов в компонентах экосистемы. Измерение удельной активности с предварительным радиохимическим выделением 90Sr в пробах почвы, растительности, сухопутных моллюсках проводили на сцинтилляционном р-спектромет-ре «БЕТА-01С» по стандартной методике определения содержания 90Sr по р-излучению его дочернего радионуклида 90Y в объектах окружающей среды [11].
Для исключения влияния химического загрязнения на изучаемые показатели в почвах контролируемых локальных участков была определена концентрация тяжёлых металлов (Ni, Zn, Mn, Cu, Pb, Co, Cd, Cr, Fe). Концентрацию тяжёлых металлов в почвенных вытяжках измеря -ли методом атомной эмиссии с индуктивно связанной плазмой (ICP AES Varian Liberty II). При этом установлено, что в почве контролируемых участков содержание тяжёлых металлов не превышает установленные ПДК, а также их концентрация не превышает соответствующие концентрации в почве контрольного участка.
Определение удельной активности 90Sr и концентрации тяжёлых металлов в каждой пробе осуществляли в трёхкратной повторности.
Для проведения исследований был выбран контрольный участок (8b) с удельной активностью 90Sr в почве 20+3 Бк/кг и с однородной (по сравнению с почвами изучаемых локальных участков) концентрацией тяжёлых металлов.
Оценка мощности поглощённой дозы моллюском. Оценку мощности поглощённой дозы для сухопутного моллюска осуществляли посредством метода Монте-Карло с использованием программы MCNP5. При этом учитывались следующие сценарии облучения: самооблучение от 90Sr, депонированного в раковине организма и в мягком теле; облучение от 90Sr в почве при обитании моллюска на поверхности почвы в вегетационный период (210 дней в году) и в почве в состоянии анабиоза (155 дней в году); облучение от 90Sr, содержащегося в растительности.
Определение морфометрических показателей и белков-МТ. Измерение морфометри-ческих показателей (высота раковины, диаметр раковины) осуществляли с помощью бинокулярного микроскопа марки Motik BA 310 (Motic China Group Co. Ltd.).
Уровень белков-МТ в тканях органов животных определялся радиохимическим методом, основанным на замещении ионов металла радиоактивным 109Cd, хелатированных в МТ.
Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась с помощью программы R.
Результаты и обсуждение
На основании проведённого расчёта дозовой нагрузки для сухопутного моллюска вида Bradybaena fruticum установлено, что мощность поглощённой дозы моллюском на изучаемой территории варьирует в диапазоне значений от 0,32+0,07 (в контроле) до 76+18 мГр/год. При этом основная дозовая нагрузка на 95% формируется при условии самооблучения от раковины (0,7+0,1 - 71+17 мГр/год).
Как указывалось ранее, в рамках данной работы изучено изменение морфометрических характеристик моллюска (высота и диаметр раковины) и уровня белков-МТ в мягких телах в ответ на повышение мощности дозы облучения. При этом установлено достоверное изменение
показателей высоты раковины и уровня белков-МТ, в отличие от диаметра раковины, изменение которого не установлено в изучаемом диапазоне мощностей доз.
Выявлено изменение ростового параметра моллюсков вида улитка кустарниковая - высота раковины - при увеличении мощности поглощённой дозы облучения, которое описывается уравнением вида у=0,5+0,06хе(-004х) (р<0,05) (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость изменения высоты раковины от мощности поглощённой дозы облучения сухопутных моллюсков (* - статистически значимо отличаются от контроля при а=0,05).
При этом до мощности поглощённой дозы облучения моллюсков 37+6 мГр/год наблюдается повышение показателя от 0,41+0,06 до 1,5+0,3 см. При дальнейшем повышении мощности поглощённой дозы облучения моллюсков 90вг наблюдается угнетение параметра, и высота раковины снижается до значений 0,41+0,06 см, сохраняя пониженные значения до дозовых нагрузок 76+18 мГр/год.
Следует отметить, что на изменение морфометрических показателей сухопутных моллюсков, в частности формы и размера раковины, могут оказывать влияние ряд факторов, включая климатические (температура среды обитания, влажность), плотность популяции, возраст моллюсков, загрязнение места их обитания [12-16]. Однако в соответствии с условиями постановки натурного эксперимента большинство факторов потенциального влияния на морфометрические изменения в теле моллюска исключаются, а именно:
- климатические - ввиду того, что локальные участки изучаемой территории, общей площадью 0,6 га, расположены в идентичных климатических условиях (уровень влажности, температурные условия среды обитания, затенённость/освещённость);
- плотность популяции - ввиду того, что пробоотбор моллюсков осуществлялся с локальных участков, характеризующихся идентичной плотностью популяции БгабуЬаепа 1тМоит (> 24 особи/м2);
- возрастной фактор - анализировались особи одной возрастной группы;
- химическое загрязнение изучаемой территории - ввиду однородности загрязнения контролируемых локальных участков по сравнению с контрольным участком и относительно друг друга.
На основании вышесказанного, а также, учитывая неоднородность радиоактивного загрязнения изучаемой территории по сравнению с контрольным участком (удельная активность 903г в почве варьирует в диапазоне 1,5+0,2 - 5203+785 Бк/кг; в растительности - от 5,8+0,9 до 13311+2013 Бк/кг), что в свою очередь определяет разные уровни облучения изучаемых организмов, можно предположить радиационную природу обнаруженных изменений по высоте раковин сухопутных моллюсков вида БгабуЬаепа ИгиИсит.
Подобное предположение возможно и в отношении изменения уровня белков-МТ в мягких тканях моллюсков от 12,4+1,4 до 57+9 мкг/г при увеличении дозовой нагрузки на организм, которое описывается кусочно-линейной зависимостью (рис. 3) вида у=а+к(х-Ь) (р<0,05), где а -постоянное значение до порога (19,3), Ь - критическое (пороговое) значение мощности поглощённой дозы (42,3 мГр/год), к - коэффициент пропорциональности в области линейного отклика (1,12) (р<0,05).
Рис. 3. Изменение уровней белков-МТ в мягких телах моллюсков в зависимости от дозовой нагрузки на организм, формируемой 90Эг (* - статистически значимо отличаются
от контроля при а=0,05).
Согласно данной модели отмечается дозонезависисмый участок при мощностях доз 0,38+0,02 - 42,3+5,8 мГр/год, где уровень синтеза белков-МТ не меняется, что может свидетельствовать о возможности организма устанавливать гомеостаз посредством детоксикации образующихся оксирадикалов. В этом случае, возможно, активно протекает репарация ДНК и активируются антиоксидантные свойства белков-МТ, связанные с белковой структурой МТ и наличием в ней сульфгидрильных групп [17]. Тогда как при более высоких дозовых нагрузках (46+7 - 76+18 мГр/год) наблюдается монотонный линейный рост уровня белков-МТ в мягких тканях сухопутных моллюсков вида улитка кустарниковая (БгабуЬаепа ^¡сит), что может свидетельствовать о накоплении радионуклида в организме моллюсков и развитии окислительного стресса.
Следует отметить, что влияние тяжёлых металлов на изменение уровня белков-МТ в мягких тканях моллюсков на изучаемой территории исключается ввиду однородности загрязнения.
Заключение
Ситуация, сложившаяся в вопросах радиационной безопасности биоты, требует решения задач, связанных с оценкой воздействия ионизирующего излучения на показатели живых организмов, включая генетические, репродуктивные, морфометрические показатели, поведенческую активность и др.
При этом в лабораторных и натурных исследованиях важным аспектом является выбор показателя, способного количественно (в целях построения зависимостей «доза-эффект») охарактеризовать степень и биологический эффект при воздействии радиационного фактора.
В рамках проведённого исследования установлено достоверное радиационно-индуцированное изменение показателей высоты раковины и уровня белков-МТ в диапазоне мощности доз облучений моллюсков от 0,32+0,07 до 76+18 мГр/год.
В данной работе выявлено, что сухопутный моллюск вида БгабуЬаепа М'юит является биоиндикатором радиоактивного загрязнения сухопутной экосистемы в условиях незначительного радиоактивного загрязнения экосистемы радиоактивным стронцием. Учитывая вышесказанное, а также требования к референтным видам, моллюск БгабуЬаепа ^ги^сит может выступать в качестве альтернативного референтного вида для оценки состояния экосистем, подвергшихся радиоактивному загрязнению. В свою очередь морфометрические показатели высота раковины моллюска и уровень белков-МТ могут претендовать на роль референтных для оценки воздействия радиационного фактора на сухопутную экосистему.
Литература
1. ICRP Publication 91. A framework for assessing the impact of ionizing radiation on non-human species //Ann. ICRP. 2003. V. 33, N 3. P. 201-270.
2. ICRP Publication 108. Environmental protection: the concept and use of reference animals and plants //Ann. ICRP. 2009. V. 38, N 4. P. 1-242.
3. Крышев И.И., Сазыкина Т.Г. Радиационная безопасность окружающей среды: необходимость гармонизации российских и международных нормативно-методических документов с учётом требований федерального законодательства и новых международных основ безопасности ОНБ-2011 //Радиация и риск. 2013. Т. 22, № 1. С. 47-61.
4. Bradshaw C., Kapustka L., Barnthouse L., Brown J., Ciffroy P., Forbes V., Geras'kin S., Kautsky U., Brechignac F. Using an ecosystem approach to complement protection schemes based on organism-level endpoints //J. Environ. Radioact. 2014. V. 136. P. 98-104.
5. Ульяненко Л.Н., Удалова А.А. Оценка состояния окружающей среды по реакции сельскохозяйственных растений на действие ионизирующих излучений //Радиация и риск. 2015. Т. 24, № 1. С. 118-131.
6. Вайзер В.И., Козьмин Г.В., Васильева А.Н., Бахвалов А.В. Радиационно-экологическая обстановка в районе размещения Обнинского регионального хранилища радиоактивных отходов //Радиация и риск. 2012. Т. 21, № 3. С. 97-105.
7. Ястребков А.Ю., Захарова Е.В., Каменский К.А. Оценка воздействия приповерхностного хранилища радиоактивных отходов ФГУП «ГНЦ РФ-ФЭИ» на геологическую среду //Разведка и охрана недр. 2014. № 3. С. 56-62.
8. Лаврентьева Г.В., Мирзеабасов О.А., Сынзыныс Б.И. Мониторинг радиоактивного загрязнения почв в зоне воздействия регионального приповерхностного хранилища радиоактивных отходов в стадии вывода из эксплуатации //Радиационная биология. Радиоэкология. 2017. Т. 57, № 3. C. 279-285.
9. Lavrentyeva G.V. Characteristic of pollution with groundwater inflow 90Sr natural waters and terrestrial ecosystems near a radioactive waste storage //J. Environ. Radioact. 2014. V. 135. P. 128-134.
10. Сынзыныс Б.И., Мирзеабасов О.А., Лаврентьева Г.В., Шошина Р.Р., Момот О.А. Оценка радиационного экологического риска и её неопределённость для биоценоза регионального хранилища радиоактивных отходов //Радиация и риск. 2014. Т. 23, № 4. С. 43-54.
11. Методические указания по определению содержания 90Sr и 137Cs в почвах и растениях. М.: ЦИНАО, 1985. 28 с.
12. Хохуткин И.М. Структура изменчивости видов на примере наземных моллюсков. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 176 с.
13. Rensch B. Zoologisch Systematic und Artbildungsproblem //Verh. Dtsch. Zool. Ges. Köln. 1933. S. 19-83.
14. Гордеева М.А., Ильминских Н.Г., Гашев С.Н. Повышение виталитета у брюхоногих моллюсков //Вестник Тюменского государственного университета. 2011. № 6. С. 38-45.
15. Bedova P.V., Kolupaev B.I. Mollusks in biological monitoring of water quality //Russ. J. Ecol. 1998. V. 29, N 5. P. 367-368.
16. Тимофеев В.А. Оценка действия загрязнения морской среды на морфологические показатели Bivalvia //Экология моря. 2005. Т. 68. С. 88-92.
17. Данилин И.А., Сынзыныс Б.И., Козьмин Г.В., Ротт Г.М. Экспериментальное обоснование нового метода биотестирования пресноводных водоёмов по содержанию белков-металлотионеинов в органах и тканях двустворчатых моллюсков //Экология. 2002. № 5. С. 397-400.
Impact of 90Sr on morphometric indices and metallothioneins level in the soft tissues of Bradybaena fruticum inhabiting the regional radioactive wastes storage facility
Lavrentyeva G.V.1'2, Shoshina R.R.2, Mirzeabasov O.A.2, Synzynys B.I.2
1 Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch), Kaluga;
2 Obninsk Institute for Nuclear Power Engineering of the National Research Nuclear University "MEPhl" (OINPE MEPhI), Obninsk
The concept of reference animals and plants is the most elaborated approach used for the development of an eco-centric radiation protection strategy. However, the current set of ICRP reference species is not final. To justify the inclusion of new entities into the list of reference animals and plants special research on impact of radiation dose on selected candidates was carried out. The article presents results of study of impact of radiation from 90Sr on morphometrics of shell, its height and diameter and the level of metallothioneins in mollusks Bradybaena fruticum inhabited the regional radioactive wastes storage facility. 90Sr absorbed dose rate to the mollusks was calculated with the use of Monte Carlo method for scenaria of self-irradiation, irradiation from 90Sr accumulated in the soil and the nettle). Reliable radiation-induced change in the shell height and the level of metallothioneins in the soft tissue of the mollusks was observed within the examined dose range. The requirements to the reference species and results of the study allow making supposition that the terrestrial mollusk Bradybaena fruticum may be considered as an alternative entity to be included in the list of reference species, height of its shell and the level of metallothioneins in the soft tissues may be considered as reference indicators.
Key words: terrestrial mollusk Bradybaena fruticum, absorbed dose rate, Monte Carlo method, mollusk shell height, mollusk shell diameter, proteins of metallothioneins, 90Sr specific activity, reference species, reference indicator, heavy metals.
References
1. ICRP Publication 91. A framework for assessing the impact of ionizing radiation on non-human species. Ann. ICRP, 2003, vol. 33, no. 3, pp. 201-270.
2. ICRP Publication 108. Environmental protection: the concept and use of reference animals and plants. Ann. ICRP, 2009, vol. 38, no. 4-6, pp. 1-242.
3. Kryshev I.I., Sazykina T.G. Radiation safety of the environment: request for harmonization of Russian and international regulation documents with consideration of Federal laws and new International Basic Safety Standards. Radiatsiya i risk - Radiation and Risk, 2013, vol. 22, no. 1, pp. 47-61. (In Russian).
4. Bradshaw C., Kapustka L., Barnthouse L., Brown J., Ciffroy P., Forbes V., Geras'kin S., Kautsky U., Brechignac F. Using an ecosystem approach to complement protection schemes based on organism-level endpoints. J. Environ. Radioact., 2014, vol. 136, pp. 98-104.
5. Ulyanenko L.N., Oudalova A.A. Environmental health assessment based on agricultural plants responses to ionizing radiation. Radiatsiya i risk - Radiation and Risk, 2015, vol. 24, no. 1, pp. 118-131. (In Russian).
6. Vaizer V.I., Kozmin G.V., Vasilyeva A.N., Bakhvalov A.V. Radiation-ecological situation in the vicinity of the Obninsk regional radioactive waste storage. Radiatsiya i risk - Radiation and Risk, 2012, vol. 21, no. 3, pp. 97-105. (In Russian).
7. Jastrebkov A.Ju., Zaharova E.V., Kamenskij K.A. Geological environment impact assessment of the near-surface radioactive waste storage facility of the IPPE. Razvedka i okhrana nedr- Prospect and Protection of Mineral Resources, 2014, no. 3, pp. 56-62. (In Russian).
Lavrentyeva G.V.* - Assoc. Prof., C. Sc., Biol. BMSTU (KB), OINPE MEPhI. Shoshina R.R. - Engineer; Mirzeabasov O.A. - Assoc. Prof., C. Sc., Tech.; Synzynys B.I. - Prof., D. Sc., Biol. OINPE MEPhI.
•Contacts: 2, Bazhenova street, Kaluga, Russia, 248000. Tel.: +7(4842) 77-45-05; e-mail: [email protected].
8. Lavrentyeva G.V., Mirzeabasov O.A., Synzynys B.I. Monitoring of radioactive pollution of soils in the zone of influence of regional near surface storage of radioactive waste in the closure. Radiatsionnaya biologiya. Radioekologiya - Radiation Biology. Radioecology, 2017, vol. 57, no. 3, pp. 279-285. (In Russian).
9. Lavrentyeva G.V. Characteristic of pollution with groundwater inflow 90Sr natural waters and terrestrial ecosystems near a radioactive waste storage. J. Environ. Radioact., 2014, vol. 135, pp. 128-134.
10. Synzynys B.I., Mirzeabasov O.A., Lavrentyeva G.V., Shoshina R.R., Momot O.A. Uncertainties in assessing radiation ecological risk for biocenosis of the regional radioactive waste storage. Radiatsiya i risk -Radiation and Risk, 2014, vol. 23, no. 4, pp. 43-54. (In Russian).
11. Methodological guidelines for determining the content of 90Sr and 137Cs in soils and plants. Moscow, TslNAO, 1985. 28 p. (In Russian).
12. Hohutkin I.M. The structure of variability of species in the example of land mollusks. Ekaterinburg, UrO RAN, 1997. 176 p. (In Russian).
13. Rensch B. Zoologisch Systematic und Artbildungs problem. Verh. Dtsch. Zool. Ges. Koln, 1933, ss. 19-83.
14. Gordeeva M.A., Ilminskikh N.G., Gashev S.N. Increase of vitality in gastropods. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta - Bulletin of the Tyumen State University, 2011, no. 6, pp. 38-45. (In Russian).
15. Bedova P.V., Kolupaev B.I. Mollusks in biological monitoring of water quality. Russ. J. Ecol., 1998, vol. 29, no. 5, pp. 367-368.
16. Timofeev V.A. Estimation of effect of seawater pollution on morphology parameters of bivalvia. Ekologiya morya - Ecology of the Sea, 2005, vol. 68, pp. 88-92. (In Russian).
17. Danilin I.A, Synzynys B.I, Kozmin G.V, Rott G.M. Experimental substantiation of a new method of biotesting freshwater reservoirs for the content of proteins-metallothioneins in organs and tissues of bivalve molluscs. Ekologiya - Ecology, 2002, no. 5, pp. 397-400. (In Russian).
