Сравнительный анализ методами биоиндикации антропогенного загрязнения района расположения предприятия по переработке и хранению радиоактивных отходов и 30-км зоны ЧАЭС

© 2000 г. ЯЯО "Радиевый институт им. В.Г. Хлопина" Лаборатория регионального экологического мониторинга (Л. М. Зимина, В. Л. Зимин, Л. Д. Блинова),  Сосновый Бор, Ленинградская обл. 

Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, (С. А. Гераськин, В. Г. Дикарев, Н. С. Дикарева, Д. В. Васильев, Н. В. Исайкина, Е. Б. Нестеров),  Обнинск, Калужская обл.

Поступила в редакцию 14.12.1999 г.

   Ленинградский спецкомбинат (ЛСК) "Радон" (г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.) расположен на побережье Копорской губы Финского залива в санитарно-защитной зоне Ленинградской АЭС и обеспечивает сбор, переработку и хранение радиоактивных отходов низкой и средней активности в Северо-Западном регионе России. На территории предприятия с 1995 г. производится переплавка содержащего радиоактивные вещества металла, полученного с Ленинградской АЭС. 

     Анализ результатов многолетнего радиационного мониторинга, выполняемого Лабораторией регионального экологического мониторинга НПО "Радиевый институт им. В.Г. Хлопина" (Блинова, 1998), показал, что расположенные на территории ЛСК "Радон" установки, приповерхностные и наземные хранилища радиоактивных отходов являются основным локальным источником техногенного загрязнения приземного воздуха и грунтовых вод. Выполненные в 1992 г. работы по повторной консервации хранилищ не привели к существенному изменению характера и интенсивности загрязнения окружающей среды. 

     В качестве тест-объекта для оценки возможного воздействия на окружающую среду регионального предприятия по хранению и переработке радиоактивных отходов была выбрана Сосна обыкновенная Pinus sylvestris L. — основной лесообразующий вид Северной Евразии. В природных сообществах сосна относится к эдификаторным видам, определяющим лицо фитоценоза и в существенной степени влияющим на жизнь других растений. Данные о высокой радиочувствительности хвойных древесных пород были получены еще в начале 60-х годов в Брукхейвенской лаборатории США (Sparrow, Woodwell, 1962). Близость радиосимметричных транслокаций и инверсий, не регистрируемых анафазным методом.

   Осенью 1997 г. были собраны шишки с деревьев трех микропопуляций сосны обыкновенной, расположенных на территории ЛСК, г. Сосновый Бор и на расстоянии 30 км от города, вне зоны влияния комплекса предприятий атомной промышленности (пос. Большая Ижора). Весной 1998 г. на этих участках, а также в непосредственной близости от забора, окружающего территорию ЛСК, были собраны молодые отрастающие побеги длиной 20-30 мм. На каждом участке образцы собирали с 10-15 деревьев, фиксацию проводили в модифицированном фиксаторе Карнуа (3:1). Значения изучаемых параметров менялись от дерева к дереву незначительно и статистически недостоверно, что позволило объединить данные с разных деревьев одной микропопуляции в единный массив. Мы имеем возможность сопоставить эти данные с результатами проведенного ранее анализа изменчивости показателей репродуктивной сферы сосны обыкновенной из районов с контрастным уровнем радиоактивного загрязнения в 30-км зоне ЧАЭС. В этом эксперименте изучали три микропопуляции деревьев, расположенные в районе асфальто-бетонного завода (АБЗ) ("рыжий" лес), Черевач (относительно "чистое" место из 30-км зоны) и экологически чистый контроль (Калужская обл., район г. Обнинска). Шишки были собраны в 1995 г.

    Собранные шишки дозаривали до раскрытия. Полученные семена проращивали в термостате при 24°С в чашках Петри на фильтровальной бумаге. Корешки на стадии первых митозов (длиной 15-20 мм) фиксировали в модифицированном фиксаторе Карнуа (3 : 1). Давленые временные препараты клеток апикальной меристемы корешов проростков и интеркалярной меристемы молодой хвои окрашивали ацетоорсеином. В каждом препарате анализировали все анателофазные клетки и учитывали долю клеток с аберрациями хромосом; анализ спектра аберраций проводили с выделением хроматидных (одиночных) и хромосомных (двойных) мостов и фрагментов, много-полюсных митозов, а также отставаний хромосом (геномные мутации). При оценке отставаний учитывали хромосомы, лежащие отдельно от разошедшихся анафазных шапок на расстоянии, не менее чем в два раза превышающем толщину хромосомы. При анализе экспериментальных данных применяли методику статистического анализа эмпирических распределений (Гераськин и др., 1994), позволяющую определить оптимальный объем выборки, необходимый для получения оценок изучаемых параметров с фиксированной относительной вероятной погрешностью при данной доверительной вероятности.

   Чувствительность сосны (LD50~ 5-16 Гр) и человека, широкий ареал распространения, информативность, технологичность и чувствительность базирующихся на ней тест-систем выдвинули Pinus sylvestris в число основных природных тест-объектов эколого-генетического мониторинга.

   Анализ исследований, выполненных на Pinus sylvestris в зоне контроля аварии на ЧАЭС, Восточно-Уральского радиоактивного следа и в районе Семипалатинского полигона (Кальченко, Спирин, 1989; Козубов, Таскаев, 1994; Кальченко и др., 1995; Шевченко и др., 1996), позволил выделить ряд тест-систем, пригодных для индикации слабого радиационного воздействия. Наиболее чувствительны к воздействию широкого спектра антропогенных поллютантов репродуктивные органы хвойных растений, отличающиеся сложностью организации и длительностью генеративного цикла. Если у большинства покрытосеменных видов репродуктивный цикл длится несколько месяцев, то у сосны с момента генеративных органов до созревания семян проходит более двух лет (Козубов, Таскаев, 1994). В условиях хронического действия антропогенных поллютантов столь длительный цикл развития семян даже при низких дозах (концентрациях) приводит к накоплению достаточного для индикации внешнего воздействия количества повреждений ДНК. Отметим, что при цитогенетическом анализе клеток корневой меристемы проростков регистрируются нарушения, возникшие в период от образования гамет до созревания и сбора семян, поскольку хромосомные перестройки, возникшие на вегетативной стадии (до цветения) элиминируются в мейозе, за исключением симметричных транслокаций и инверсий, не регистрируемых анафазным методом.

   Осенью 1997 г. были собраны шишки с деревьев трех микропопуляций сосны обыкновенной, расположенных на территории ЛСК, г. Сосновый Бор и на расстоянии 30 км от города, вне зоны влияния комплекса предприятий атомной промышленности (пос. Большая Ижора). Весной 1998 г. на этих участках, а также в непосредственной близости от забора, окружающего территорию ЛСК, были собраны молодые отрастающие побеги длиной 20-30 мм. На каждом участке образцы собирали с 10-15 деревьев, фиксацию проводили в модифицированном фиксаторе Карнуа (3:1). Значения изучаемых параметров менялись от дерева к дереву незначительно и статистически недостоверно, что позволило объединить данные с разных деревьев одной микропопуляции в единный массив. Мы имеем возможность сопоставить эти данные с результатами проведенного ранее анализа изменчивости показателей репродуктивной сферы сосны обыкновенной из районов с контрастным уровнем радиоактивного загрязнения в 30-км зоне ЧАЭС. В этом эксперименте изучали три микропопуляции деревьев, расположенные в районе асфальто-бетонного завода (АБЗ) ("рыжий" лес), Черевач (относительно "чистое" место из 30-км зоны) и экологически чистый контроль (Калужская обл., район г. Обнинска). Шишки были собраны в 1995 г.

   Собранные шишки дозаривали до раскрытия. Полученные семена проращивали в термостате при 24°С в чашках Петри на фильтровальной бумаге. Корешки на стадии первых митозов (длиной 15-20 мм) фиксировали в модифицированном фиксаторе Карнуа (3 : 1). Давленые временные препараты клеток апикальной меристемы корешов проростков и интеркалярной меристемы молодой хвои окрашивали ацетоорсеином. В каждом препарате анализировали все анателофазные клетки и учитывали долю клеток с аберрациями хромосом; анализ спектра аберраций проводили с выделением хроматидных (одиночных) и хромосомных (двойных) мостов и фрагментов, много-полюсных митозов, а также отставаний хромосом (геномные мутации). При оценке отставаний учитывали хромосомы, лежащие отдельно от разошедшихся анафазных шапок на расстоянии, не менее чем в два раза превышающем толщину хромосомы. При анализе экспериментальных данных применяли методику статистического анализа эмпирических распределений (Гераськин и др., 1994), позволяющую определить оптимальный объем выборки, необходимый для получения оценок изучаемых параметров с фиксированной относительной вероятной погрешностью при данной доверительной вероятности.

   В первые годы после Чернобыльской аварии существовала зависимость биометрических показателей и посевных качеств семян сосны и ели от поглощенной дозы (Козубов, Таскаев, 1994; Шевченко и др., 1996): масса 1000 семян, их всхожесть и энергия прорастания снижались, а число недоразвитых семян закономерно возрастало. Однако к 1995 г. уровень радиоактивного загрязнения в 30-км зоне ЧАЭС перестал оказывать существенное влияние на изменчивость этих показателей. В микропопуляциях Сосновоборского района морфометрические параметры также находятся в пределах спонтанного варьирования, хотя существует определенная тенденция к изменению соотношения числа нормальных и недоразвитых семян и увеличению числа абортивных семяпочек.

    Использование цитогенетических критериев позволяет существенно увеличить разрешающую способность биоиндикации антропогенного воздействия. Сопоставление представленных в табл. 1 данных, полученных с использованием двух разных тест-систем, свидетельствует о том, что цитогенетическая поврежденность как вегетативных (хвоя), так и репродуктивных (семена) органов растений достоверно возрастает в соответствии с предполагаемым градиентом техногенного загрязнения экспериментальных участков. Отметим, что частота аберрантных клеток в хвое выше, чем в проростках семян, как в контрольных, так и в опытных образцах, что соответствует полученным нами ранее на сельскохозяйственных растениях (Гераськин и др., 1996а, 1998) данным о различии уровней цитогенетической изменчивости в листовой и корневой меристемах.

    Выход цитогенетических нарушений в корневой меристеме семян контрольных вариантов (Обнинск, 1995; Большая Ижора, 1997) достоверно не различается (табл. 1) и находится в пределах спонтанной изменчивости, что позволяет совместно анализировать эти данные. Цитогенетическая поврежденность семян и хвои, собранных на территории ЛСК, достоверно (в 2.5 и 2.8 раза соответственно) превышает контрольный уровень, хотя и остается меньше аналогичных показателей для микропопуляций сосны обыкновенной из 30-км зоны ЧАЭС, превышение радиационного фона в месте произрастания которых в момент сбора образцов составляло 17 и 180 раз. И если для микропопуляций из 30-км зоны ЧАЭС характерен закономерный рост выхода цитогенетических повреждений с увеличением мощности экспозиционной дозы, то повышенную цитогенетичес-кую поврежденность как вегетативных, так и репродуктивных органов сосны из Сосновоборского региона невозможно объяснить только радиационным воздействием.
   В этой связи следует обратить особое внимание на высокую (в 2 раза превышающую соответствующий контроль) и статистически достоверную цитогенетическую поврежденность семян, собранных в центре г. Сосновый Бор. В отношении хвои отмеченная тенденция также имеет место, хотя статистически достоверного превышения спонтанного уровня не было обнаружено. Представленные результаты свидетельствуют о наличии в среде произрастания микропопуляций сосны обыкновенной не только из района располо микропопуляций сосны обыкновенной не только из района распоожения предприятия ЛСК "Радон", но и г.Сосновый Бор, выраженного генотоксического воздействия. Несмотря на неожиданный для нас характер результатов, статистическая нагруженностъ даннных не позволяет сомневаться в их достоверности.

Таблица 1. Частота аберрантных клеток в корневой меристеме проростков и интеркалярной меристеме хвои сосны обыкновенной

Примечание. МЭД - мощность экспозиционной дозы; ВК - число просмотренных клеток; АК - аберрантные клетки; ДИ -доверительный интервал; * - отличие от контроля достоверно при (1 - Р) < 0.05.

Таблица 2. Соотношение аберраций разных типов в корневой меристеме проростков и интеркалярной меристеме хвои сосны обыкновенной

   Дополнительную информацию о действующих факторах можно получить из анализа спектра структурных мутаций. Представленные в таб.2 данные свидетельствуют о наличии тенденции (для семян эти различия статистически достоверны) к возрастанию по сравнению с контролем в чернобыльских и сосновоборских микропопуляциях частоты тяжелых цитогенетических повреждений. Особое внимание следует обратить на присутствие в сосновоборских данных и отсутствие в обоих контрольных и чернобыльском вариантах редко встречающегося в контроле типа цитогенетических нарушений - трехполюсных митозов, появление которых связывают с повреждением веретена деления. В.П. Бессоновой (1992) было показано, что достоверное увеличение выхода трехполюсных митозов в анафазах и телофазах 1-го и 2-го делений мейоза (в контроле таких повреждений обнаружено не было) у сирени обыкновенной Sypringa vulgaris L. и абрикоса обыкновенного Armeniaca vulgaris Lam. связано с загрязнением смесью тяжелых металлов почвы, на которой произрастали экспериментальные микропопуляции этих деревьев. Результаты наших предыдущих исследований (Гераськин и др., 19966) свидетельствуют о том, что в условиях сочетанного действия ионизирующего излучения и химических поллютантов тяжесть цитогенетического поражения определяется действием последних.
   В совокупности с данными дозиметрического контроля (см. табл. 1) представленные результаты позволяют сделать вывод о присутствии в Сосновоборском регионе значительной компоненты химического загрязнения. В целом, наши данные свидетельствуют о том, что хранение и утилизация радиоактивных отходов средней и низкой активности сопряжена с дополнительным загрязнением окружающей среды.
Работа частично финансировалась в рамках Iпрограммы РФФИ по поддержке ведущих научных школ (грант 96-15-978600) и проекта МНТЦ №535.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Бессонова В.П. Состояние пыльцы как показатель загязнения среды тяжелыми металлами // Экология. 1992. № 4. С. 45-50.

Блинова Л Д. Радиоэкологический мониторинг атмосферы и гидросферы в районе расположения объектов ядерного комплекса (на примере г. Сосновый Бор). Автореф. дис. ... канд ф.-м. наук. Обнинск, 1998. 23 с.
Гераськин С.А., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С., УдаловаА.А. Влияние раздельного действия ионизирующего излучения и солей тяжелых металлов на частоту хромосомных аберраций в листовой меристеме ярового ячменя // Генетика. 1996а. Т. 32. № 2. С. 272-278.
Гераськин С.А.. Дикарев В.Г., Удалова А.А., Дикарева Н.С. Влияние комбинированного действия ионизирующего излучения и солей тяжелых металлов на частоту хромосомных аберраций в листовой меристеме ярового ячменя // Генетика. 19966. Т. 32. № 2. С 279-288.
Гераськин С. А., Дикарев В. Г., Удалова А. А. и др. Анализ цитогенетических последствий хронического облучения в малых дозах посевов сельскохозяйственных культур // Радиационная биология. Радиоэкология. 1998. Т. 38. Вып. 3. С. 367-374.
Гераськин С.А., Фесенко С. В., Черняева Л. Г., Санжарова Н.И. Статистические методы анализа эмпирических распределений коэффициентов накопления радионуклидов растениями // Сельскохозяйственная биология. 1994. № 1. С 130-137.
Кальченко В.А., Спирин Д. А. Генетические эффекты в популяциях сосны обыкновенной, произрастающих в условиях хронического облучения малыми дозами // Генетика. 1989. Т. 25. № 6. С. 1059-1064.
Кальненко В.А., Шевченко ВЛ.., Рубанович А. В. и др. Генетический эффект в популяциях Pinus sylvestris L. из Восточно-Уральского радиоактивного следа, зоны контроля аварии на Чернобыльской АЭС и района испытаний ядерных устройств на Семипалатинском полигоне // Радиационная биология. Радиоэкология. 1995. Т. 35. Вып. 5. С. 702-707.
Козубов Г.М., Таскаев А. И. Радиобиологические и радиоэкологические исследования древесных растений. СПб.: Наука, 1994. 256 с.
Шевченко В.А., Абрамов В.И., Кальченко В.А. и др. Генетические последствия для популяций растений радиоактивного загрязнения окружающей среды в связи с Чернобыльской аварией // Радиационная биология. Радиоэкология. 1996. Т. 36. Вып. 4. С. 531-545.
Sparrow A.H.,Woodwell C.M. Prediction of the sensitivity of plants to chronic gamma irradiation// Radiation Botany. 1962. V.2.№1. P.9-26