Анализ суммарной цитогенетической активности тяжелых металлов и углеводородов почв в условиях воздействия автотранспорта (на примере придорожных почв территории Самарской области)

Автор: Миронов Г.С.

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Статья в выпуске: 1-1 т.14, 2012 года.

Бесплатный доступ

В работе представлены экспериментальные данные о загрязнении придорожных почв исследуемыми поллютантами, а также о влиянии их концентраций на цитогенетическую активность почв. Выявлено наличие статистически значимых тенденций к увеличению содержания почвенных генотоксикантов и увеличению частоты возникновения хромосомных аберраций по мере увеличения интенсивности движения автотранспорта.

Автотранспорт, почвы, генотоксичность, хромосомные аберрации

Короткий адрес: https://sciup.org/148205580

IDR: 148205580

Текст научной статьи Анализ суммарной цитогенетической активности тяжелых металлов и углеводородов почв в условиях воздействия автотранспорта (на примере придорожных почв территории Самарской области)

В настоящее время известно о негативном воздействии автотранспорта на придорожные экосистемы. В работах [5, 7] показано, что почвы, располагающиеся вблизи автодорог, претерпевают изменения своих физико-химических свойств, и накопление поллютантов, что во многом определяет нарушение их биогеоценотических функций.

Рис. 1 . Схема географического расположения пунктов исследования

Также известно, что воздействие автотранспорта сопровождается поступлением и аккумуляцией в почвенном покрове придорожных территорий двух групп токсикантов: тяжелых металлов и полициклических ароматических углеводородов, которые обладают мутагенными свойствами (в том числе и для человека). Однако экспериментальные данные о генотоксичности придорожных почв встречаются крайне редко.

Целью исследования стал анализ комбинированного действия поллютантов, содержащихся в почвах, на генетический аппарат Allium fistulosum L.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Отбор почвенных образцов осуществлялся в весенне-летний период 2009-2011 гг. с 32 придорож-

ных участков в 22 административных районах Самарской области (рис. 1).

Выбор пунктов исследования (табл. 1) обуславливался двумя основными критериями: отсутствие дополнительных источников загрязнения, составляющих стационарные компоненты автодорожных геотехнических систем (заправочные станции, станции ремонта и обслуживания, пункты питания и т. д.); и относительной выравненностью рельефа дороги и обочины.

Таблица 1 . Описание пунктов исследования (номер соответствует положению на карте см. рис. 1)

Населенный пункт (окрестности)	№ пункта	Терри-тори-альное назначение дороги	Ас-фаль-товое покрытие	Интенсив-ность движения, ед./сут.
1	2	3	4	5
ж/д ст. «135 км»	9	М	-	12
с. Денискино	28	М	-	34
с. Якушкино	6	М	+	38
с. Поволжский	26	М	-	58
с. Августовка	27	М	+	108
с. Грачевка	5	М	-	120
с. Чистовка	15	М	+	126
с. Приволжье	20	Р	+	166
с. Балашейка	19	Р	+	206
с. Елховка	18	Р	+	212
пос. Лесной	12	М	+	280
с. Натальино	4	Р	+	362
с. Камышла	21	Р	+	453
с. Теплый Стан	25	Р	+	458
с. Исаклы	13	Р	+	462
с. Екатериновка	31	Р	+	498
с. Алексеевка	14	Р	+	568
с. Шигоны	17	Р	+	588
с. Борское	16	Р	+	624
с. Кошки	3	М	+	644
с. Суходол	8	Ф	+	698
с. Шентала	11	Р	+	744
с. Красноармейское	30	Р	+	766
с. Хворостянка	2	Р	+	798
с. Рождествено	23	Р	+	864
Окончание табл.	1
1	2	3	4	5

с. Пестравка	1	Р	+	874
с. Черниговка	10	Ф	+	880
с. Александровка	29	Р	+	890
с. Клявлино	24	Р	+	986
с. Черновка	7	Ф	+	1056
с. Богатое	32	Р	+	1104
с. Ширяево	22	Р	+	1268

Примечание: М – местное, Р – региональное, Ф - федеральное; «+» и «-»– наличие и отсутствие асфальтового покрытия соответственно

Исследуемые образцы отбирались из верхнего перегнойно-аккумулятивного горизонта (глубина 10-15 см), с расстояния 5 м от края дорожного полотна. Выбор удаления от дороги определялся на основании ряда работ, в которых наглядно показано максимальное накопление изучаемых поллютантов в зоне от 0 до 10 м [5,7].

Валовое содержание тяжелых металлов в почвах проводилось на базе Ульяновской Агрохимслужбы методом атомной абсорбционной спектроскопии, а на базе Самарского государственного политехнического университета проводилось определение доли органического углерода методом Тюрина, азота – методом Кьельдаля. Оценка доли техногенной орга- ники в исследуемых образцах проводилась по соотношению органического углерода к азоту (C/N).

Тест-системой для цитогенетического анализа служили семена A. fistulosum L., пророщенные на водных вытяжках исследуемых образцов, цитогенетическая активность которых оценивалась по двум показателям

1. Митотический индекс (МИ, ‰) – скорость деления клеток корневой меристемы A. fistulosum L.
2. Частота возникновения хромосомных аберраций (ХА, %) – отношение аберрантных клеток, находящихся на стадии анафазы и телофазы к их общему количеству (не менее 500 ана- и телофаз):

МИ = (П+М+А+Т)∙1000/N, где П – клетки в профазе, М – метафазе, А – анафазе, Т – телофазе, N – общее количество наблюдаемых клеток, включая интерфазные (не менее 1000).

ХА = (А’+Т’)∙100% / ^(А+Т), где А’ – аберрантные анафазы, Т’ – аберрантные телофазы.

В ходе анателофазного анализа учитывались следующие типы хромосомных нарушений: хромосомные и хроматидные мосты (парные и одиночные), фрагментации хромосом, отставания хромосом (рис. 2).

А Б В

Рис. 2. Некоторые типы хромосомных аберраций: А) нормальная анафаза, Б) нормальная телофаза, В) отставание в анафазе, Г) телофазный мост, Д) анафазный мост, Е) фрагмент в телофазе (стрелками показано расположение аберраций)

Г Д Е

Статистическая обработка данных заключалась в подсчете средней арифметической и её ошибки, проведении корреляционного анализа по общепринятым в биологических исследованиях методикам [2]. Частично статистический анализ проводился с помощью программы Microsoft Excell.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ полиметаллического загрязнения почвенного покрова показал наличие концентраций тяжелых металлов в исследуемых образцах, не превышающих установленных ПДК, что показывает относительно благоприятную картину для Самарской области. Для более детального анализа проводилось сопоставление фактической концентрации поллютантов с фоновым значением для того или иного административного района области. Фоновые значения содержания металлов в почвах взяты из работы Н.В. Прохоровой [4].

По отношению показателей рассчитывался коэффициент Zc, отражающий степень техногенности поступления металла в почву [3]. Результаты анализа полиметаллического загрязнения почв исследуемых территорий суммированы в табл. 2. Из не видно, что наибольшее загрязнение исследуемых почв наблюдается по Ni; в меньшей степени – по Pb, Cu и Zn. Низкий уровень загрязнения Pb может быть связан с запретом на использование в автопромышленности свинецсодержащих присадок к топливу и маслам. Отсутствие загрязнения по Zn и незначительный уровень по Cu может объясняться относительно высокой подвижностью данных металлов в почве, которая обусловлена высокой растворимостью в кислой среде. В то же время, загрязнение почв Ni может быть обусловлено широким спектром применения его в автомобильной промышленности [7]. Техногенный характер накопления Ni в исследуемых почвах может также быть подтвержден значимой корреляцией с показателем интенсивности движения автотранспорта (r = 0,41; p < 0,01).

Известно, что никель является антагонистом меди в системе «почва-растение» и, обладая высоким сродством, способен замещать его и накапливаться в организмах почвенной биоты. Также известно, что привнесение в придорожные почвы Ni нарушает его естественный баланс по отношению к Cu, которая входит в состав фитогормонов, ферментов растений, а также некоторых структурных белков клеток растений [1]. Замещение меди в медьсодержащих соединениях может приводить как к нарушению и остановке митоза, так и к нарушению процессов по- строения мембран клеток растений, Это может яв- а следовательно и ряд физиологических процессов ляться причиной поступления иных, имеющих более растении [1]. Критерий Cu/Ni отражает степень несложное строение и молекулярную массу, токсинов, гативного в отношении клеточных физиологических а также снижению тургесценции корней, что в свою процессов влияние этих металлов.

очередь снижает всасывающую способность корня,

Таблица 2. Анализ полиметаллического загрязнения придорожных территорий Самарской области

№ пункта исследования на схеме (рис. 1)	Cu, мг/кг		Ni, мг/кг		Zn, мг/кг		Pb, мг/кг
№ пункта исследования на схеме (рис. 1)	Сфакт	Сфон	Сфакт	Сфон	Сфакт	Сфон	Сфакт	Сфон
9	3,7	97,3	8,1	31,6	10,8	90,9	4,8	17,0
28	15,3	20,6	6,2	44,3	12,3	105,8	3,1	8,3
6	17,4	38,4	5,7	30,3	11,4	94,0	6,2	12,1
26	19,1	126,9	8,2	39,4	14,3	111,4	10,2	18,3
27	17,0	22,2	3,8	7,4	8,2	44,6	*7,6	4,8
5	20,8	42,9	36,0	44,8	21,4	94,5	*12,4	10,8
15	19,1	39,4	39,2	49,1	23,6	114,4	*9,3	6,4
20	19,6	23,8	**16,5	6,1	22,9	25,1	4,0	4,2
19	20,9	51,7	18,1	23,7	19,2	65,1	11,4	14,0
18	17,7	31,1	15,4	30,0	21,5	109,9	8,3	11,2
12	25,1	43,4	4,2	26,0	26,4	97,9	*17,1	15,1
4	25,7	24,7	**48,0	9,4	24,5	46,8	*16,5	9,7
21	23,7	43,6	26,4	27,2	14,2	84,6	2,4	4,8
25	22,0	31,1	*4,9	3,6	13,6	29,1	6,1	8,4
13	22,8	43,4	29,4	26,0	12,4	97,9	13,1	15,1
31	22,3	24,4	**11,6	3,6	11,9	29,1	8,2	8,4
14	11,6	27,3	*19,6	17,7	26,1	39,2	7,9	10,8
17	22,1	72,3	7,9	30,2	13,4	104,9	*14,2	13,5
16	23,6	38,7	*28,3	26,5	19,8	54,5	*8,6	7,7
3	21,8	34,7	*46,8	34,5	24,3	94,9	*16,0	8,7
8	21,0	38,4	*36,9	30,3	21,8	94,0	*12,7	12,1
11	*26,2	20,6	21,1	44,3	21,0	105,8	8,2	8,3
30	21,7	24,7	8,1	9,4	21,5	46,8	7,4	9,7
2	16,6	25,5	***30,6	4,1	21,2	49,9	*12,1	9,4
23	21,3	97,3	9,8	31,6	12,1	90,9	5,4	17,0
1	*21,6	17,9	***37,7	3,7	22,8	37,4	**13,2	5,4
10	18,3	22,2	**17,8	7,4	6,8	44,6	2,9	4,8
29	22,1	27,7	**42,0	15,4	10,8	51,3	6,8	7,1
24	11,5	41,7	29,3	44,8	9,5	94,5	6,1	10,8
7	24,1	38,4	25,4	30,3	16,2	94,0	6,3	12,1
32	*22,5	21,3	31,9	40,4	14,3	42,7	3,8	5,1
22	25,4	93,7	*36,1	31,6	10,9	90,9	8,6	17,0

Примечания: *Незначительное превышение (Zc < 2); **Слабое превышение (2 < Zc < 8), ***Среднее превышение (8

< Zc < 16), Интерпретации «незначительное», «слабое», «среднее» соответствуют предложенным в работе [3].

Считается, что при приближении величины данного показателя к единице1 наблюдается наиболее благоприятное действие данных металлов [1]. Поэтому был проведен анализ цитогенетических свойств исследуемых почв в условиях медьникелевого дисбаланса, в результате которого было выявлено наличие статистически значимых корреляционных связей между показателями цито- и генотоксичности почв и величиной показателя Cu/Ni (рис. 4).

Анализ органического загрязнения исследуемых участков позволил обнаружить тенденцию к увеличению показателя C/N по мере увеличения интенсивности движения, что свидетельствует о техногенном характере поступления углеводородов в почвенный покров придорожных территорий (рис. 3).

Как видно из рис. 3, коэффициент аппроксимации (R2 для p = 0,05 составляет 0,22) показывает наличие статистической значимости данной зависи- мости (p < 0,05), что свидетельствует о высокой доле техногенной органики в общем органическом комплексе придорожных почв.

Интенсивность движения, ед/сутки

Рис. 3. Накопление техногенной органики в придорожных почвах в зависимости от интенсивности движения автотранспорта

Обнаруженные тенденции позволили сделать предположение о наличии цитогенетической актив- ности исследуемых почв. В результате определения цито- и генотоксичности исследуемых образцов и сопоставления величин показателей МИ и ХА с показателями загрязнения почв придорожных территорий был обнаружен ряд корреляционных связей, отраженный на рис. 4.

XA МИ

Рис. 4. Корреляции между показателями цитогенетической активности почв и степенью их загрязнения

МИ, % ХА, %

Рис. 5. Изменение показателей генотоксичности почв в зависимости от величины С/N

В результате сравнительного анализа показателей генотоксичности почв и их химикотоксикологических характеристик был обнаружен ряд статистически значимых тенденций. Было выявлено, что при увеличении соотношения C/N статистически значимо снижается пролиферативная активность клеток и возрастает частота возникновения хромосомных аберраций (рис. 5). Из рис. 5 видно, что при увеличении значения показателя С/N до 11 частота возникновения хромосомных аберраций падает, при этом возрастает величина митотического индекса. Сравнительный анализ показателей полиметаллического загрязнения почв и показателей их генотоксичности не обнаружил статистически значимых тенденций.

Таким образом, удалось обнаружить, что в условиях воздействия автотранспорта почвы территории Самарской области подвергаются значительному химическому загрязнению. Наиболее выраженное полиметаллическое загрязнение наблюдается по таким тяжелым металлам, как Cu и Ni. Загрязнение придорожных почв техногенными органическими поллютантами наблюдается значительно сильнее, о чем свидетельствует обнаруженная зависимость показателя углеводородного загрязнения от интенсивности движения. Также удалось установить, что воздействие со стороны автотранспортного комплекса влияет на цитогенетическую активность придорожных почв, что выражается в ингибировании пролиферативной активности клеток и стимулировании возникновения хромосомных аберраций, что в конечном итоге приводит к угнетению ростовых процессов и гибели растения. Ведущую роль в нарушении митотических процессов играют техногенные углеводороды, аккумулируемые придорожными почвами.

Список литературы Анализ суммарной цитогенетической активности тяжелых металлов и углеводородов почв в условиях воздействия автотранспорта (на примере придорожных почв территории Самарской области)

Гарипова Р.Ф., Калиев А.Ж. Цитогенетический анализ в мониторинге почв при техногенном загрязнении микроэлементами//Вест. ОГУ. 2009. № 4. С. 94-97.
Лакин Г.Ф. Биометрия. М.: Высшая школа. 1990. 352 с.
Прохорова Н.В. Тяжелые металлы в почвах административных районов Самарской области//Вестник СамГУ. 2002. Спец. вып. С. 183-187.
Прохорова Н.В. Эколого-геохимимческая роль автотранспорта в условиях городской среды//Вест. СамГУ. 2005. № 5. С. 188-199.
Пушаева З.П. Практикум по цитологии растений. М.: Колос. 1988. 120 с.
Пшенин В.Н. Загрязнение почвенного покрова придорожных территорий//Автотранспорт: от экологической политики до повседневной практики/Труды IV Международ. науч.-практич. конф. СПб: Изд-во МАНЭБ. 2008. С. 48-55.
Порядок определения размеров ущерба земель от загрязнения химическими веществами. М., 1993. 38 с.

Статья научная