Накопление техногенных радионуклидов разными видами макромицетов в лабораторных условиях

Наземные экосистемы планеты в результате интенсивного использования делящихся материалов загрязнены техногенными радионуклидами. В связи с этим радиоэкологические исследования территорий вокруг предприятий ЯТЦ и их ремедиация как никогда актуальны. В пойменных почвах р. Енисей, на правом берегу которого расположен Горно-химический комбинат (ГХК) Росатома, регистрируется широкий перечень техногенных радионуклидов, в том числе трансурановых, которые могут накапливаться живыми организмами. Макромицеты способны накапливать техногенные радионуклиды и тяжёлые металлы на порядки больше, чем растения и, следовательно, грибы можно использовать для биоремедиации загрязнённых территорий [5, 11].

Цель работы: исследование накопления техногенных радионуклидов, в том числе трансурановых, в мицелии и плодовых телах макро-мицетов в лабораторных условиях.

Материалы и методы. Накопление техногенных радионуклидов макромицетами изучали в два этапа. На первом этапе объектами исследования накопления ²⁴¹Am мицелием, культивируемым на жидком субстрате, были взяты виды: шампиньон ( Agaricus bisporus ), вешенка ( Pleurotus ostreatus ) и гриб Neonothopanus nambi . Для каждого вида готовили жидкие среды объёмом по 100 мл с тремя вариантами активности ²⁴¹Am (100, 200 и 400 Бк/л) и контрольный опыт без ²⁴¹Am. В раствор инокулировали зерновой мицелий и инкубировали в термостате 14-30 дней при температуре 25°C. Содержание ²⁴¹Am в приготовленных пробах определяли на сцинтилляционном γ-счётчике Wallac Wizard 1480 (PerkinElmer, Финляндия). На втором этапе для оценки накопления техногенных радионуклидов из загрязнённых почв и донных отложений поймы р. Енисей в лабораторных условиях были проведены эксперименты по культивированию вида Pleurotus ostreatus . Работы проводились с двумя вариантами субстрата: 1) на основе пойменной почвы и целлюлозы и 2) донных отложений и целлюлозы в соотношении 1:1 по сухой массе. Удельная активность (на сухую массу) техногенных радионуклидов в подготовленных субстратах приведена в табл. 1.

Подготовленные почвоподобные субстраты (в трёх повторностях) укладывали в пластиковые банки и стерилизовали в термостате при 70°C в течение 5 ч. Затем в субстрат инокулировали зерновой мицелий и инкубировали в термостате 14 дней при температуре 27°C. После разрастания мицелия в субстрате для стимуляции плодоношения банки помещали во влажную климатическую камеру с температурой 16-18°C и относительной влажностью 95-99%. Через 30 дней после инокулирования мицелия в субстрат были получены плодовые тела Pleurotus ostreatus.

Таблица 1. Содержание радионуклидов в почвоподобном субстрате, Бк/кг

Для определения содержания техногенных радионуклидов плодовые тела были высушены. Удельную активность γ-излучающих радионуклидов в подготовленных навесках определяли на γ-спектрометре Canberra (США) с полупроводниковым германиевым детектором. Для оценки накопления радионуклидов в макромицетах из субстрата рассчитывали коэффициент накопления (КН), который равен отношению удельной активности радионуклида в биомассе макроми-цета к удельной активности радионуклида в субстрате в конце эксперимента.

Накопление трансуранового радионуклида мицелием из жидкого субстрата. Проведенные лабораторные эксперименты по культивированию грибного мицелия на жидкой среде с внесённым ²⁴¹Am показали высокую степень накопления радионуклида. Для двух видов грибов Pleurotus ostreatus и Neonothopanus nambi удельная активность ²⁴¹Am, накопленного в мицелии, линейно возрастала с увеличением его концентрации в среде (табл. 2). В ходе экспериментов в биомассу грибов переходило 85-97% ²⁴¹Am от общего содержания в культивационном растворе. Мицелий Agaricus bisporus плохо развивался на жидкой среде, и для него были получены недостоверные данные по накоплению ²⁴¹Am. Рассчитанные коэффициенты накопления ²⁴¹Am мицелием N. nambi из культивационного раствора в конце эксперимента (табл. 2) достигали 2000 л/г и были выше, чем для P. ostreatus .

Таблица 2. Удельная активность и КН ²⁴¹Am в сырой биомассе мицелия

В настоящее время в пойменных почвах и донных отложениях р. Енисей ниже по течению от ГХК, кроме активационных радионуклидов и продуктов деления, содержатся изотопы трансурановых элементов: 238Pu, 239,240Pu, 241Am и 243,244Cm [4]. Для трансурановых радионуклидов, которые являются новыми для биосферы, отсутствуют стабильные изотопы. Вместе с тем, как видно из проведенных экспериментов, а также из работ других авторов [1, 2, 8] трансурановые элементы накапливаются в биомассе живых организмов. С учётом того, что поступление техногенных радионуклидов в экосистему р. Енисей происходит с жидкими сбросами, полученная высокая степень аккумуляции 241Am в лабораторных условиях позволяет использовать биомассу макромицетов для биоремедиации загрязнённых растворов. Ранее разными авторами была отмечена возможность использования грибов как биоиндикаторов загрязнения трансурановыми радионуклидами [2], так и с целью биоремедиации [5, 8, 9, 11].

Накопление техногенных радионуклидов макромицетами из почвоподобного субстрата. В лабораторных условиях на почвоподобном субстрате, содержащем техногенные радионуклиды, были выращены плодовые тела Pleurotus ostreatus . В ходе эксперимента плодоношение P. ostreatus продолжалось 60 дней в несколько этапов (волн) с уменьшением урожайности в каждой волне по мере потребления питательных веществ из субстрата и старения мицелия (рис. 1). Полученная к концу эксперимента общая биомасса плодовых тел на субстрате из почвы и донных отложений практически не отличалась и составила 12,4 г и 11,2 г сухой массы, соответственно. По результатам γ-спектрометрического анализа в плодовых телах P. ostreatus содержался ¹³⁷Cs в обоих вариантах субстрата (рис. 2). Для почвы и донных отложений характерно увеличение удельной активности ¹³⁷Cs в плодовых телах грибов от первого к третьему урожаю, в то время как урожайность к третьей волне наоборот падала (рис. 1). Это может быть объяснено тем, что мицелий грибов в процессе питания выделяет экзоферменты для расщепления питательных веществ в субстрате [12] и, таким образом, доля биодоступного цезия со временем может возрастать. В донных отложениях содержание ¹⁵²Eu было выше содержания ¹³⁷Cs (табл. 1), однако в грибах он не регистрировался. В плодовых телах, полученных на донных отложениях, был зарегистрирован ⁶⁰Co на пределе обнаружения (10 Бк/кг).

Рис. 1. Урожайность плодовых тел Pleurotus ostreatus в эксперименте на субстратах из почвы и донных отложений

Рис. 2. Удельная активность ¹³⁷Cs в плодовых телах Pleurotus ostreatus на субстратах из почвы и донных отложений

Характер изменения рассчитанных коэффициентов накопления (КН) 137Cs плодовыми телами P. ostreatus на разных субстратах частично повторяет изменения удельной активности 137Cs в грибах. Однако сами значения КН 137Cs для грибов, выращенных на разных субстратах, значительно отличаются (рис. 3). КН 137Cs для грибов, выращенных на субстрате на основе донных отложений, возрастает от первого к третьему урожаю с 0,05 до 0,1. КН 137Cs для грибов, выращенных на субстрате на основе почвы, возрастает от 0,002 до 0,008, что на порядок ниже, чем для варианта с донными отложениями. Такое отличие значений КН для разных субстратов может быть вызвано различной биодоступностью 137Cs в почве и донных отложениях. Для проверки данного предположения было проведено последовательное химическое фракционирование почвы и донных отложений по схеме, описанной в работе [3]. По содержанию 137Cs в получившемся нерастворённом остатке после фракционирования можно оценить потенциальную биодоступность 137Cs для живых организмов. Доля 137Cs в нерастворённом остатке после фракционирования образцов пойменной почвы р. Енисей составила 94%, в донных отложениях – 82%, и, следовательно, потенциальная биодоступность 137Cs в почве 6%, в донных отложениях 18%. Известно, что межвидовые вариации накопления радионуклидов в плодовых телах грибов могут достигать нескольких порядков [6, 7], также накопление радионуклидов может значительно меняться для одного вида в зависимости от условий произрастания. В наших экспериментах с почвоподобными субстратами максимальный КН 137Cs существенно меньше единицы, то есть отсутствует аккумуляция радионуклида в плодовых телах грибов. В дальнейшем планируется расширить перечень видов грибов и оптимизировать условия их выращивания для получения более высоких значений КН техногенных радионуклидов. Так, в работах по биоремедиации территорий с помощью растений показано, что добавление в почву лимонной кислоты может увеличивать накопление урана в растениях на два порядка, а введение аммония увеличивает накопление цезия до двух раз [10].

Рис. 3. Коэффициент накопления ¹³⁷Cs в плодовых телах Pleurotus ostreatus на субстратах из почвы и донных отложений

Выводы: получена высокая степень аккумуляции ²⁴¹Am из раствора мицелием грибов P. ostreatus и N. nambi в лабораторных условиях. В биомассу мицелия данных видов переходило 8597% ²⁴¹Am от общего содержания в культивационной среде, коэффициент накопления (КН) ²⁴¹Am достигал 2000 л/г, что позволяет использовать данные виды для биоремедиации загрязнённых радионуклидами растворов. В лабораторных экспериментах по выращиванию вида P. ostreatus на субстрате из пойменных почв и донных отложений р. Енисей, загрязнённых техногенными радионуклидами, в плодовых телах достоверно регистрировался только ¹³⁷Cs. Коэффициент накопления ¹³⁷Cs для плодовых тел грибов, выращенных на субстрате из донных отложений (0,05-0,1) на порядок выше КН ¹³⁷Cs для плодовых тел, выращенных на почвенном субстрате (0,002-0,008), что вызвано различной биодоступностью ¹³⁷Cs в почве и донных отложениях.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 12-04-00915.