Эколого-генотоксический мониторинг состояния водных экосистем на территории Оренбургской области тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат биологических наук Голинская, Людмила Владимировна

• Голинская, Людмила Владимировна
• кандидат биологических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Голинская, Людмила Владимировна

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ

ЭКОСИСТЕМ.

1.1.Тяжёлые металлы как приоритетные загрязнители окружающей среды.

1.2. К вопросу о состоянии химического загрязнения водных экосистем.

1.3. Донные отложения как объект биомониторинга водных экосистем.

1.4. Нормирование содержания загрязняющих веществ в донных отложениях.

ГЛАВА II. ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ КАК ОДИН ИЗ ФАКТОРОВ МУТАГЕННОЙ ОПАСНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

2.1. История и методы генотоксикологии.

2.2. Использование различных тест-систем для оценки генотоксического состояния морских и пресноводных экосистем.

ГЛАВА III. ОБЪЕКТ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Описание объекта исследования.

3.2. Материал и методы исследования.

3.2.1. Методы определения содержания неорганических загрязнителей в цельном грунте и водной вытяжке донных отложений.

3.2.2. Методы определения мутагенной активности.

3.2.2.1. Метод учета видимых мутаций у Ch. vulgaris.

3.2.2.2. Метод учета хромосомных аберраций у А1. сера.

3.2.2.3. Метод учета доминантных летальных мутаций у

Бг. melanogaster.

3.2.3. Методы статистической обработки результатов.

ГЛАВА IV. ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ МЕТАЛЛАМИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ.

4.1. Оценка состояния химического загрязнения донных отложений водоемов и водотоков Оренбургской области

2004 г.).

4.2.Экологическая оценка содержания металлов в донных отложениях в долях от экологических нормативов (2004 г.).

4.3. Оценка химического загрязнения донных отложений водоемов и водотоков Оренбургской области (2007 г.).

4.4. Экологическая оценка содержания металлов в донных отложениях в долях от экологических нормативов (2007 г.).

ГЛАВА V. ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЁЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ

5.1. Динамика межгодовых изменений в содержании тяжёлых металлов в цельном грунте водотоков и водоёмов Оренбургской области.

5.2. Оценка межгодовых изменений экологического состояния водных экосистем Оренбургской области.

ГЛАВА VI. ХАРАКТЕРИСТИКА КАЧЕСТВА И УРОВНЯ НЕОРГАНИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

ВОДОРАСТВОРИМОЙ КОМПОНЕНТЫ ДОННЫХ

ОТЛОЖЕНИЙ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ.

ГЛАВА VII. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ И ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА ГЕНОТОКСИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ НА ТЕРРИТОРИИ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ (2004 г. и 2007 г.).

7.1. Генотоксическая активность донных отложений водотоков и водоемов Оренбургской области (2004 г.)

7.2. Генотоксическая активность донных отложений водотоков и водоемов Оренбургской области (2007 г.).

7.3. Временная динамика мутагенной активности донных отложений водных экосистем Оренбургской области.

7.4. Пространственная динамика мутагенной активности донных отложений водных экосистем Оренбургской области.

ГЛАВА VIII. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ И МУТАГЕННОЙ АКТИВНОСТИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ

ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эколого-генотоксический мониторинг состояния водных экосистем на территории Оренбургской области»

Актуальность работы: Одной из глобальной проблем современности является загрязнение окружающей среды, в результате которого происходит деградация биосферы. В число наиболее опасных загрязнителей природной среды, входят ТМ, а в последние годы возросли и масштабы поступления редкоземельных металлов. Данные поллютанты не подвергаются процессам разложения и перераспределяются между отдельными компонентами экосистемы, аккумулируются в донных отложениях, представляющих собой сложную многокомпонентную систему [9, 91], которая может рассматриваться в качестве информативного показателя состояния экосистемы. Накопление загрязняющих веществ в ДО является одной из причин временного выведения их из круговорота и самоочищения водной среды, но загрязнение экосистемы при этом сохраняется [86, 110], а при определенных условиях ДО могут выступать в роли источника вторичного загрязнения. В связи с этим, одним из наиболее важных критериев оценки состояния экосистемы является отсутствие накопления химических элементов в ДО реки, особенно вблизи возможных источников техногенного загрязнения [172].

Химические поллютанты могут выступать в качестве мутагенов, либо промутагенов, поэтому при изучении водоёмов важной составляющей является оценка генотоксической ситуации. Генотоксиканты - поллютанты, способные нарушать генетические структуры и процессы, приводящие к увеличению частоты наследственных и онкологических заболеваний, врождённых пороков развития, снижению иммунитета и преждевременному старению организма, что может приводить к серьёзным негативным последствиям, вплоть до вырождения и вымирания видов [1]. В связи с этим для научной разработки природоохранных мероприятий очевидна необходимость оценки генотоксической активности водотоков, и особенно малых рек. Однако в настоящее время особенности динамики генотоксической ситуации в малых реках, подвергающихся антропогенному прессу, в том числе и воздействию генотоксикантов, изучены не достаточно, хотя они являются начальным звеном формирования водных ресурсов страны и определяют состояние средних и крупных рек, водоёмов и ресурсов подземных вод, играют важную хозяйственную и рекреационно-оздоровительную роль, на их берегах проживает большая часть населения.

В Оренбургской области проблема загрязнения водных экосистем освящена в ряде работ, проведенных с использованием гидрохимических показателей, имеются данные по состояния донного осадка на территории области. В работах Боева В.М., Куксанова В.Ф. и Быстрых В.В. (2002) показано, что распределение концентраций элементов в ДО на территории области в целом отражает содержание их в почве. Рядом авторов (Боев В.М., Красиков С.И., Перепёлкин С.В.и др., 2003) была дана оценка содержанию ряда элементов в ДО открытых водоёмов Западной части Оренбургской области.

В рамках работы Ивановой И.Ю. (2009) были показаны различия в содержании отдельных металлов в цельном грунте и ВВДО городских и сельских территорий разных регионов области. Была дана оценка экологическому состоянию водотоков и водоёмов Оренбургской области по результатам биотестирования, установлена высокая токсичность ВВДО рек Блявы и Кураганки. Однако, отдалённые последствия действия экотоксикантов, связанные с повреждением генетического аппарата, остаются неизученными. Указанный комплекс нерешённых вопросов определяет актуальность проведенных исследований.

Цель работы: оценка экологического состояния водных экосистем Оренбургской области на основе мониторинга химического и генотоксического загрязнения донных отложений. Задачи исследования

1. Определить суммарную нагрузку металлами твёрдой фракции ДО, 7 проследить временную динамику в их содержании, установить вклад отдельных поллютантов в экологическое состояние водных экосистем Оренбургской области, выявить приоритетные загрязнители и экосистемы с высоким уровнем антропогенной нагрузки.

2. Ранжировать весь спектр обнаруженных в водной вытяжке донных отложений химических элементов и провести оценку содержания некоторых загрязнителей в водорастворимой компоненте неорганического загрязнения в сравнении с имеющимися для воды нормативами, выявить приоритетные загрязнители.

3. Исследовать спектр мутагенов, присутствующих в донных отложениях с использованием экспериментальных тест-объектов и дать характеристику генотоксической ситуации водных экосистем на территории Оренбургской области.

4. Изучить временные изменения мутагенной активности донных отложений в различных регионах Оренбургской области и пространственную динамику на ряде водотоков.

5. С использованием корреляционного анализа выявить зависимость различных типов мутаций от химического загрязнения цельного грунта и водной вытяжки донных отложений, обозначить наиболее опасные генотоксиканты, выявленные в водных экосистемах на территории Оренбургской области.

Научная новизна. Установлено превышение большинства существующих нормативов по Сг и №- в цельном грунте. Выявлены аномальные концентрации металлов в водных экосистемах: Западного региона М^, Центрального 1л, Бе, А1, Мп, Сг, Ъп, РЬ, Урала и Сакмары в районе Оренбурга Си, Ъъ, РЬ (2004 г.), Сс1, в водных экосистемах Центрального региона (2007 г.).

В межгодовой динамике зарегистрировано увеличение содержания в ДО Бе и № во всех регионах, в Центральном - ещё и Сг, в Западном - Сг и Си, а в районе Оренбурга, помимо Бе и №, в 2 раза возросло содержание Мп. 8

Установлено сравнительное экологическое благополучие водных экосистем на территории Оренбургской области.

Рассчитаны индексы нагрузки элементами разных групп ВВДО, и дана оценка водных экосистем регионов по их нагрузке, впервые показано равномерное распределение щелочных и щелочноземельных металлов, повсеместное распространение РЗМ и максимальное поступление неметаллов в водотоки Восточной зоны.

Выявлено широкое распространение в цельном грунте её содержание повсеместно превышало норматив 1ЕРА, а в ВВДО —ПДКР х.

Впервые в лабораторных условиях с использованием нескольких тест-объектов проведено биологическое тестирование суммарной мутагенной активности ДО водных экосистем на территории Оренбургской области. Загрязнение водных экосистем области генотоксикантами оценено как. высокое в оба года исследования, и выявлен широкий спектр мутагенов и промутагенов, вызывающих генные, геномные и хромосомные мутации. Во временной динамике в грунтах большинства водных экосистем произошла аккумуляция генотоксикантов с расширением спектра или его сменой, а на отдельных - загрязнение генотоксикантами перестало регистрироваться. Наибольшая степень МА и широта спектра мутагенов выявлены вблизи крупных городов и населенных пунктов.

Впервые установлена наиболее высокая положительная корреляционная связь между содержанием РЗМ и алюминием в ВВДО и мутациями разного типа.

Теоретическая и практическая значимость работы. Расширены знания об экологическом состоянии водных экосистем на территории Оренбургской области. Установлен широкий спектр водорастворимых форм неорганических загрязнителей, содержащихся в ДО, оценен уровень суммарной мутагенной активности и прослежена пространственная и временная динамика. Выявлена наибольшая информативность водорастворимой компоненты донных отложений в эффективной оценке 9 генотоксической ситуации водных экосистем, которая рекомендована к использованию в экологическом мониторинге.

Внедрение результатов исследования в практику. Результаты исследования послужили основой для разработки методического письма по нормированию уровней содержания ТМ в донных отложениях поверхностных водных объектов, что имеет важное значение для совершенствования экологического мониторинга водных экосистем и решения практических вопросов хозяйственно-питьевого водоснабжения населения Оренбургской области. Результаты исследований внедрены в практическую деятельность Управления Роспотребнадзора по Оренбургской области (акт внедрения от 28.01.2011 г.), в работу научно-производственной фирмы «Экобиос» (акт внедрения от 29.03. 2011 г.).

Материалы диссертационного исследования используются в учебном процессе на кафедре общей и коммунальной гигиены ГОУ ВПО «Оренбургская государственная медицинская академия» (акт внедрения от 4.04 2011 г.); а также включены в практику выполнения выпускных квалификационных работ студентов ОГУ (акт внедрения от 3.02.2011 г.), материалы исследования внедрены в лекционный курс на кафедре биоэкологии и природопользования ОГАУ (акт внедрения от 23.03.2011 г.).

Апробация работы и публикации. Результаты исследования представлены в аналитических отчётах Оренбургского областного благотворительного общественного фонда памяти Дмитрия Соловых по экологическому проекту «Экологический мониторинг пресноводных экосистем и состояние здоровья населения», финансируемого согласно Распоряжению Президента РФ № 628 от 15 декабря 2006 года.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на региональных научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов: Оренбург, 2006, 2008, 2009; на Международной (Всероссийской) Пироговской студенческой научной медицинской конференции: Москва, 2006, 2008; на Всероссийской конференции с ю участием стран ближнего зарубежья «Экология пресноводных экосистем и состояние здоровья населения»: Оренбург, 2006; на IX Съезде Гидробиологического общества РАН: Тольятти, 2006; на конференции «Экологические проблемы уникальных природных и антропогенных ландшафтов»: Ярославль, 2006, 2007; на конференции «Молодежь и наука: итоги и перспективы»: Саратов, 2006, 2008; на V съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров: Москва, 2010; на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные вопросы медицинской науки»: Ярославль, 2010. Диссертация апробирована на расширенном заседании проблемной комиссии «Гигиена, экология, эпидемиология, общественное здоровье и здравоохранение» ОрГМА.

По теме диссертации опубликованы 17 работ, из них 6 статей 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.

1. Широкий спектр регистрируемых мутагенных эффектов у экспериментальных объектов свидетельствует о наличии генотоксикантов в водных экосистемах Оренбургской области с различным характером действия, претерпевающих пространственную и временную динамику.

2. Содержание водорастворимых форм неорганических поллютантов, как наиболее лабильных и генотоксически активных, — один из информативных показателей в оценке эколого-генотоксического состояния водотоков и водоёмов.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 200 страницах машинописного текста и включает введение, 2 главы обзора литературы, главу по материалам и методам исследования, 5 глав собственных исследований, заключение, выводы, приложение. Библиографический список содержит 174 отечественных и 66 зарубежных

Заключение диссертации по теме «Экология (по отраслям)», Голинская, Людмила Владимировна

выводы

1. Индекс нагрузки металлами твёрдой фракции ДО водных экосистем не имел достоверных различий между регионами области, его максимальное значение отмечено в Центральном регионе, для которого установлен статистически достоверный рост ИНМ (р<0,05) с 2004 по 2007 гг. В водных экосистемах всех регионов зарегистрировано увеличение содержания Бе и а в Центральном — ещё и Сг, в Западном - Сг и Си, а в районе Оренбурга, помимо Бе и в 2 раза возросло содержание Мп. Превышение большинства используемых нормативов установлено по хрому и никелю. В 2004 г. зафиксированы аномальные концентрации (М±2о) ряда металлов: в Западном регионе - №, в Центральном - 1л, Бе, А1, Мп, Сг, Ъп, РЬ, в районе Оренбурга — Си, Ъп, РЬ, а в 2007 г. лишь Сё и Щ (Центральный регион).

2. Экологическое состояние водных экосистем в оба года исследований характеризовалось как сравнительно благополучное, т.к. Кс всех определяемых металлов, рассчитанные в долях от экологических нормативов для ДО, были менее 1, за исключением N1, что, вероятно, обусловлено формированием природно-геохимической провинции.

3. Установлено равномерное распределение щелочных и щелочноземельных металлов в водных экосистемах, а для неметаллов зарегистрировано максимальное их поступление в водотоки Восточной зоны. Повсеместное поступление отмечено и для РЗМ, но средний индекс нагрузки

4 2 ими широко варьировал: от 7,3*10 " мг/л (Центральный регион) до 1*10 " мг/л (Восточный регион), достоверных различий между регионами не установлено.

4. Суммарная нагрузка тяжёлыми металлами ВВДО изменялась в широких пределах (от 0,5773 мг/л до 5,7021 мг/л). Высокий показатель нагрузки ТМ в Центральном регионе обусловлен максимальными концентрациями Бе, Со, Си, Ъъ, РЬ, Сё на ряде водотоков. Достоверные различия установлены для Бе: в Восточном в 1,3 раза выше, а в ДО Урала и

Сакмары в районе Оренбурга в 2,0 раза ниже, чем в Центральном регионе.

181

Содержание Ге и Мп повсеместно превышало все используемые нормативы, Мо и V - ПДКр.х.; а Си - ПДК ЕС и ВОЗ.

5. Установлено широкое распространение Н^ в водных экосистемах области, содержание которой в ВВДО превышало ПДКрх на 100% изученных водотоков и водоёмов, выявлены даже её аномальные концентрации (М±2а) в цельном грунте. Наиболее неблагополучная ситуация по загрязнению ртутью отмечена для Восточного региона, где были превышены и другие установленные нормативы, а относительно благополучным является Западный регион, в котором не превышены нормативы ЕС и ВОЗ для воды.

6. Для элементов, не обозначенных как ТМ при проведении экологических исследований, максимальная нагрузка отмечена в ВВДО Восточного региона, но достоверные различия между регионами не установлены. Наибольшую опасность из поллютантов данной группы представлял А1, содержание которого повсеместно превышало ПДКр х.

7. Загрязнение водных экосистем области генотоксикантами оценено как высокое в оба года исследования, при этом выявлен широкий спектр мутагенов и промутагенов, вызывающих генные, геномные и хромосомные мутации. Наибольшая степень МА и широта спектра мутагенов отмечались вблизи крупных городов и населенных пунктов

8. За три года исследования в грунтах большинства водных экосистем Оренбургской области произошла аккумуляция генотоксикантов с расширением спектра или его сменой. В отдельных водных экосистемах загрязнение генотоксикантами перестало регистрироваться, что, по-видимому, обусловлено процессами очищения ДО от мутагенов.

9. Среди поллютантов, регистрируемых в ВВДО, выявлены загрязнители (РЗМ и алюминий) имеющие высокую положительную корреляционную связь между их содержанием и мутациями разного типа, в то время как валовое содержание металлов в цельном грунте не являлось главным фактором, вызывающим генотоксичность по отношению к тест-объектам.

182

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе приводятся результаты исследования химического загрязнения цельного грунта и ВВДО, а также мутагенной активности ДО водных экосистем на территории Оренбургской области. Целью исследования было проведение мониторинговых исследований химического и генотоксического загрязнения водоёмов и водотоков.

Для Оренбургской области характерно высокое загрязнение атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почвы [173]. Качество питьевой воды продолжает ухудшаться почти по всем нормируемым показателям [164]. Экологическую напряженность усиливает трансграничный перенос вредных веществ со стороны Челябинской области и Республики Башкортостан. Кроме того, 4 сентября 1954 г были проведены испытания атомного оружия на Тоцком полигоне [15].

Таким образом, водные экосистемы области испытывали и продолжают испытывать антропогенное воздействие. В последнее время в качестве объектов исследования всё чаще используются ДО, т.к. в них, в конечном счёте, аккумулируются загрязнители, поступающие в водные экосистемы [116,148], поэтому они были выбраны в качестве материалы исследования в данной работе. Грунты могут депонировать в своём составе различные загрязняющие вещества, в том числе, обладающие мутагенной активностью. Реки и водоёмы области используется большими группами населения как источники водозабора и рыболовства, а также как рекреационная зона, что может привести к попаданию генетически активных поллютантов в организм человека, поэтому исследование их генотоксического загрязнения является актуальным.

На первом этапе была дана оценка загрязнения металлами цельного грунта в два срока исследования (2004 и 2007 гг.), а также изучена временная динамика в содержании ряда металлов.

Анализ загрязнения металлами цельного грунта в 2004 г. показал, что минимальные средние концентрации металлов - сорбентов (марганца, железа и

172 алюминия), отмеченные в Восточном регионе, сопровождались низким ИНМ ДО, что согласуется с имеющимися литературными данными [46,88,108]. Установлено, что одним из приоритетных загрязнителей водных экосистем Оренбургской области является никель, содержание которого на всех изученных водотоках и водоёмах превышало все существующие нормативы для до.

На ряде исследованных водотоках и водоёмах Оренбургской области были выявлены аномальные концентрации отдельных металлов (М±2а), обусловленные природными геохимическими особенностями или антропогенным воздействием: в Западном регионе - М§, №, В Центральном — 1л, Бе, А1, Мп, Сг, Ъъ, РЬ, в районе Оренбурга - Си, Ъъ, РЬ.

Выполненная нами работа по оценке валового содержания металлов в ДО водотоков и водоемов Оренбургской области в 2007 г. ещё раз показала, что Центральный регион и непосредственно город Оренбург испытывают большую нагрузку металлами, чем Западный регион, о чём свидетельствуют более высокие показатели ИНМ ДО водных экосистем на этих территориях области. Оценка загрязнения ТМ ДО на территории Оренбургской области с использованием различных нормативов не выявила превышения по Ъп, Сё, РЬ, для ряда металлов №, Сг) отмечено повсеместное превышение каких-либо нормативов. Выявлены аномальные концентрации кадмия и ртути (М±2сг) в Центральном регионе на р. Каргалка Сакмарский р-н, которые свидетельствуют о формировании природно-антропогенной геохимической провинции.

Сравнение ИНМ в оба года исследования по регионам показало, что самый низкий индекс нагрузки металлами был в грунтах водотоков и водоемов

Западного региона, а донные отложения Центрального региона, Урала и

Сакмары в районе Оренбурга характеризовались более высокими его показателями, но между ними значительных различий не установлено.

Статистически достоверный рост (р<0,05) выявлен лишь для водотоков и водоемов Центрального региона. В целом в 2007 г. загрязнение грунтов ТМ

173 было выше по сравнению с 2004 г., что свидетельствует о возрастании антропогенной нагрузки на водные экосистемы за период с 2004 по 2007 гг. В ДО всех регионов произошло увеличение средних концентраций Бе и N1, а в Центральном повысилась и концентрация Сг, в Западном - Сг и Си, а в районе Оренбурга, помимо Бе и N1, почти в 2 раза возросло содержание Мп.

Результаты анализа экологического состояния экосистем показали, что содержание Сг, РЬ, Си, Ъп, Сё, как правило, не представляло опасности для экологического состояния водотоков и водоемов Оренбургской области, т.к. их Кс были менее 1, но в отдельных экосистемах значение этого коэффициента для ряда металлов либо приближалось к 1, либо было выше: в 2004 г. в Центральном регионе - оз. Королев Сакмарского р-на (Кс Си= 0,99), на р. Урал в районе Оренбурга - «Очистные сооружения» (Кс Си=1,17, Кс Хп=Ъ,1). Наибольший вклад в суммарный коэффициент нагрузки вносил коэффициент концентрации среднерегиональное значение которого во всех регионах области либо приближалось к 1, либо было выше в оба срока исследования, в 2004 г. наибольший Кс № составил 3,14, а в 2007 г. - 2,72.

С точки зрения опасности для гидробионтов и человека, наиболее важен мониторинг водорастворимых форм поллютантов, содержание которых было определено в ВВДО. Среди токсикантов особое место занимает ртуть, проведенный анализ показал широкое распространение Щ в водных экосистемах области, о чём свидетельствует 100% превышение ПДКрх на всех изученных водотоках и водоёмах области. Наиболее неблагополучная ситуация по загрязнению Щ отмечена для Восточного региона, т.к. здесь на всех исследованных водотоках и водоёмах концентрация Н§ превышала и другие установленные нормативы. Относительно благополучным по накоплению ^ в ДО можно считать Западный регион, где не были зарегистрированы концентрации, превышающие нормативы, рекомендованные для воды ЕС и ВОЗ.

Отобранные пробы ДО на водотоках и водоёмах Оренбургской области имели преимущественно песчаный характер, а из данных литературы известно, что илистые и глинистые ДО удерживают загрязнители более прочно, чем песчаные [148], поэтому присутствие относительно высокой доли песчаных фракций в ДО районов, несущих повышенную антропогенную нагрузку, может иметь негативные последствия для водной среды из-за пониженных сорбционных свойств песчаных осадков [110], приводящих к более лёгкому переходу поллютантов в водную среду. Литературные данные подтвердились результатами нашего исследования: пробы ДО, отобранные в Восточном регионе области, имели песчаную природу, и химический анализ цельного грунта показал минимальные концентрации в содержании металлов, а анализ содержания неорганических загрязнителей в ВВДО выявил наиболее высокие концентрации водорастворимых форм химических элементов: максимальные ИН неметаллами, РЗМ, щелочными и щелочноземельными ^металлами, а также металлами, не обозначенными как ТМ при проведении экологических исследований. В водных экосистемах Восточного региона также выявлены максимальные средние концентрации А1, и, Мо, Мп и 8е, а содержание превышало все установленные нормативы на всех исследованных водотоках и водоёмах указанного региона.

Для ВВДО Урала и Сакмары в районе Оренбурга были отмечены низкие средние индексы нагрузки неметаллами, щелочными и щелочноземельными металлами и ТМ, кроме того, выявлены минимальные средние концентрации Т1, и, Ре, Мо, V, Си, Мп и Бе. Тот факт, что в районе крупного промышленного города содержание ряда загрязняющих веществ было минимальным, можно объяснить тем, что грунты имели минимальную способность к аккумуляции загрязнителей, что, по-видимому, обусловлено низким содержанием органического вещества.

Достоверные различия между регионами области были установлены лишь по содержанию в ВВДО ве между Центральным и Восточным регионами, и

175 между Центральным регионом и Оренбургом. В Восточном регионе содержание селена в 1,3 раза выше, а в районе Оренбурга в 2,0 раза ниже, чем в Центральном регионе.

Следующей задачей исследования была оценка мутагенной активности ДО с использованием трёх тест — объектов.

В 2004 г. загрязнение водных экосистем Оренбургской области генотоксикантами можно назвать высоким, т.к. на 42,85 % всех изученных станций ДО обладали генотоксичностью по отношению к какому-либо тест-объекту (21 станция из 49 изученных). Наиболее напряженная генотоксическая ситуация отмечена для водных экосистем Восточного региона области, где процент станций с МА был самым высоким и регистрировались разнообразные типы генетических нарушений.

Видимые мутации у Ch. vulgaris индуцированы ДО 7 ст из 49 изученных: они не зарегистрированы в Западном регионе, а в Восточном зафиксированы на 50% станций.

Хромосомные аберрации у А1. сера вызывали ДО также 7 станций, в которых содержались промутагены, приобретающие МА в многоклеточном растительном организме и активизирующие хромосомные мутации типа делеций и транслокаций.

На 13 из изученных экосистем ДО проявили генотоксичность по отношению к Dr.melanogaster, вызывая доминантные летальные мутации. В большей степени они индуцированы ДО Восточного региона, а также Урала и Сакмары в районе Оренбурга.

К самым загрязненным по наличию генотоксикантов водным экосистемам Оренбургской области отнесены в Центральном регионе р. Малая Хобда, Илек, а в Восточном - р. Губерля и оз. Тёплое, в ДО которых выявлен широкий спектр мутагенов и промутагенов, способных индуцировать различные типы мутаций: генные, геномные и хромосомные. Не было отмечено станций, ДО которых проявили бы генотоксичность по отношению к трем тест-объектам с явно выраженной МА.

Оценка МА ДО, отобранных в 2007 г. на водотоках и водоемах Западного и Центрального регионов проводилась с помощью двух тест-объектов (Ch. vulgaris и Al. сера), а ДО Урала и Сакмары в районе Оренбурга дополнительно и с помощью метода учета ДЛМ у Dr. melanogaster.

В Западном регионе на 2 из 6 изученных станций -33,3% (Сорочинское вод-ще и р. Самара г. Бузулук) зарегистрирована МА, что может представлять генетическую опасность для водных организмов и человека. В ДО присутствовали только мутагены прямого действия, вызывающие видимые мутации у одноклеточной водоросли.

Под воздействием ДО р. Ток Грачевский р-н (ст 8) и Красногвардейский р-н (ст 9) в двух тестах не выявлено превышения контрольных уровней мутаций, но в тесте учета ХА зафиксировано нарушение веретена деления, что привело к четырехполюсному митозу, а в грунтах ст 9 присутствовали вещества, обладающие мощным митотоксическим действием с метастатическим эффектом, что проявилось в прекращении деления клеток корешков лука. Данный факт доказывает наличие в ДО веществ, обладающих сильным митотоксическим действием.

Мутагенная активность зарегистрирована на 80% водных экосистем Центрального региона. ВМ у Ch. vulgaris индуцированы водной вытяжкой ДО 7 станций (70%), а ДО содержали мутагены прямого действия. ХА в меристеме Allium сера зарегистрированы на 30% станций, а ДО содержали промутагены, приобретающие МА в процессе метаболизма в многоклеточном растительном организме. МА оценивалась как «слабая».

Наиболее загрязненным генотоксикантами водотоками Центрального региона оказались р. Самара Новосергеевский р-н и на р. Салмыш Шарлыкский р-н, в ДО которых выявлены прямые мутагены и промутагены. Генотоксически безопасными оказались реки Малый Уран и Неть Шарлыкского р-на, ДО которых не проявляли мутагенность.

Анализ МА в районе Оренбурга на Урале и Сакмаре показал, что она зарегистрирована на 80% исследованных станций (4 из 5 изученных). ВМ у Ch. vulgaris индуцированы ВВДО двух станций, ХА в меристеме А1. сера зарегистрированы на 4 из 5 станций, за исключением ДО р. Урал в районе «Водозабора». Следовательно, 80% станций в районе Оренбурга содержали промутагены. Самым загрязненным участком Урала в 2007 г. исследования по наличию генотоксикантов была старица реки, т.к. «слабая» МА зафиксирована во всех используемых тестах. Отсутствие генотоксикантов в ДО ст 19 «Водозабор» позволяет сделать вывод, что использование воды для питьевых целей в 2007 г. не угрожало генетическому здоровью населения города.

Т.о., в 2007 г. процент водотоков и водоёмов, ДО которых проявили мутагенную активность, был выше в Центральном регионе и в районе Оренбурга (80%), в отличие от Западного региона, где только 33,3% станций проявили генотоксичность по отношению к тест-объектам.

При изучении временной динамики МА было отмечено, что за прошедшие 3 года исследования в водоемы и водотоки Оренбургской области увеличилось поступление генотоксикантов, т.к. во всех регионах возросло число станций с МА. В меньшей степени ухудшение генотоксической ситуации наблюдалось в Западном регионе (с 27,3% до 33,3%) и произошла смена генотоксикантов, т.к. возросло число станций, ДО которых индуцировали ВМ у

Ch. vulgaris и снизился процент станций, ДО которых вызывали ХА в меристеме А1. сера. В Центральном регионе области увеличение процента станций с МА было более значительным (с 33,3% до 80%). Очень резко (с 5,6% до 60%) возросло число станций, ДО которых вызывали видимые мутации у

Ch. vulgaris, но не изменилось количество станций, ДО которых вызывали ХА в меристеме А1. сера (25-30%). При этом возросло число станций с двумя типами нарушений: с 5,6% в 2004 году до 20% в 2007 г. Токсикогенетическая ситуация

178 в районе Оренбурга в 2007 г. ухудшилась, о чём свидетельствует увеличение процента станций, ДО которых проявляли МА (с 57,1 до 80%), резко возросло (с 7,1 до 80%) число станций, в ДО которых присутствовали промутагены, приобретающие МА в многоклеточном растительном организме.

На ряде водотоках спектр генотоксикантов расширился, либо произошла их смена, а в отдельных водных экосистемах загрязнение генотоксикантами перестало регистрироваться, что связано с процессами самоочищения ДО от мутагенов за счет их растворения и вымывания в воду.

Результаты оценки пространственного изменения МА показали, что наибольшая степень МА и широта спектра мутагенов наблюдалась вблизи крупных городов и населенных пунктов, которые и являлись источниками поступления в водные экосистемы загрязнителей мутагенной природы.

Результаты корреляционного анализа показали, что валовое содержание металлов в цельном грунте не являлось главным фактором генотоксичности по отношению к тест-объектам. Поиск корреляционных зависимостей между мутагенностью и суммарным содержанием загрязнителей разных групп в ВВДО, а также содержанием отдельных элементов показал, что коэффициенты корреляции (г) имели разную силу. Частота и сила выявленных корреляционных связей отличалась в разных регионах, а наибольшая величина коэффициента прослеживалась в Восточной зоне Оренбуржья, где отмечены и максимальная МА и наибольшее содержание загрязняющих веществ в ВВДО.

Установлено, что металлы, не обозначенные как ТМ при проведении экологических исследований, могут выступать как генотоксиканты, т.к. их суммарное содержание коррелировало с мутациями разного типа. Генные мутации у хлореллы напрямую зависели от суммарного содержания металлов данной группы во всех регионах. Умеренная сила корреляции отмечена для

Оренбурга (г=0,34) и Восточного (г=0,37), а слабая — для Центрального региона г=0,24). В двух регионах (Центральный и Восточный) указанная группа определяемых металлов дополнительно коррелировала и ХА в клетках

179 многоклеточного растительного организма, и с мутациями в половых клетках дрозофилы: генные, хромосомные и геномные мутации у дрозофилы характеризовались умеренным характером связи (г=0,36 - Центральном, г=0,43 - Восточном регионе), а частота ХА с металлами данной группы коррелировали с разной силой: в Центральном регионе - умеренная сила (г=0,32), а в Восточном - сильная (г=0,73 при р<0,05). Наиболее опасными является алюминий, т.к. его концентрации и ВМ у Ch. vulgaris имели такую же корреляционную зависимость, что и с суммарным содержанием металлов данной группы. Сходный характер выявлен и с частотой ХА у А1. сера: в Центральном регионе г=0,35, а в Восточном - г=0,79 (при р<0,05); и с величиной ДЛМ у Dr. melanogaster: г =0,30 и 0,37.

Во всех регионах суммарная нагрузка РЗМ ВВДО с умеренной силой коррелировала с генными (ВМ) мутациями у хлореллы, ХА у лука имели слабую связь в Центральном (г=0,29) и сильную (г=0,78 при р<0,05) в Восточном регионе, где и суммарная нагрузка РЗМ была максимальна, кроме того, в Восточном регионе и частота доминантных летальных мутаций (генных, хромосомных и геномных) у дрозофилы имела умеренную связь (г=0,37) с содержанием РЗМ. Данный факт свидетельствует о наличии генотоксического эффекта у РЗМ и необходимости проведения мониторинговых исследований за их содержанием в водных экосистемах.

Проведенный корреляционный анализ показал, что с точки зрения оценки опасности для генетического материала при проведении экологических исследований следует обратить внимание на РЗМ и алюминий, т.к. в рамках работы была выявлена высокая положительная корреляционная связь между содержанием данных веществ и мутациями разного типа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Голинская, Людмила Владимировна, 2011 год

1. Абилев, С.К. Выявление и прогнозирование мутагенной активности химических соединений окружающей среды: дисс. . д-ра. биол. наук. — М., 2003.-304 с.

2. Азовский, М.Г. Ртуть в высших водных растениях Братского и других водохранилищ Ангарского каскада / М.Г. Азовский, М.В. Пастухов, В.И. Гребенщикова // Антропогенное влияние на водные организмы и экосистемы: мат-лы кон. Ч. 1. — Борок., 2008. — С. 5-8.

3. Александрова, М.А. Разработка экспресс метода диагностики эколого-генетической обстановки на рыбохозяйственных водоёмах Астраханской и Мурманской областей: автореф. дисс. на соискание уч. степени канд. биологических наук. — Астрахань, 2004. - 32 с.

4. Ахиянц, И.Л. Биоиндексация мутагенного воздействия Волжской воды в современных условиях: автореф. дисс. . канд. биол. наук. — Астрахань., 2004. 34 с.

5. Ахиянц, И.Л. Биотестирование водной среды Волго-Каспия / И.Л. Ахиянц, Л.Г. Сентюрова // Успехи современного естествознания. — 2004. № 1.-С. 12-14.

6. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия / Н.С. Ахметов. М.: Высш. шк, 1998.- 743 с.

7. Багдасарян, A.C. Биотестирование почв техногенных зон городских территорий с использованием растительных организмов: дисс. . канд. биол. наук. Ставрополь., 2005. - 159 с.

8. Баканов, А.И. Оценка качества донных отложений с использованием элементов триадного подхода (на примере оз. Плещеево) / А.И. Баканов, М.В. Гапеева, И.И. Томилина // Биология внутренних вод. — 1999. № 1-3. -С. 148- 160.

9. Баканов, А.И. Оценка качества донных отложений с использованием элементов триадного подхода / А.И. Баканов, М.В. Гапеева, И.И. Томилина // Биология внутренних вод. — 2000. № 1. С. 102- 109.

10. Баранов, B.C. Генетический мониторинг социально-значимых наследственных болезней в Санкт-Петербурге // Мутагены и канцерогены в окружающей среде: Новые подходы к оценке риска для здоровья. С-Пб., 1997. С. 13-22.

11. Бардина, О.С. Влияние условий труда свинцовых производств на уровни и причины смертности работающих / О.С. Бардина, Н.В. Лебедева, Е.Б. Гуревич // Медицина труда и промышленная экология. 1994. - № 5-6. -С. 8-12.

12. Белкина, H.A. Ретроспективная оценка донных отложений Кондоповской губы Онежского озера / H.A. Белкина // Водные ресурсы. — 2005. — Т. 32, №6.-С. 689-699.13.16.19