Оценка состояния окружающей среды по реакции сельскохозяйственных растений на действие ионизирующих излучений

Обеспечение безопасности жизнедеятельности человека должно базироваться не только на соблюдении санитарно-гигиенических нормативов в отношении разнообразных вредных веществ и воздействий, но и на сохранении качества окружающей среды, гармоничного и устойчивого развития природных экосистем. В разных областях природопользования (от промыслового до сельскохозяйственного, промышленного и др. секторов) всё большее внимание уделяется развитию экологически-ориентированной политики и созданию соответствующих методик и руководящих документов для внедрения экосистемного подхода к охране окружающей среды. Ограничение техногенного воздействия на экосистемы до уровня, не нарушающего их структурной и функциональной целостности, в свою очередь, повысит экологическую безопасность и качество жизни человека.

В стратегии радиационной защиты окружающей среды также отмечается тенденция перехода от санитарно-гигиенических принципов, регулирующих воздействие ионизирующих излучений (ИИ) на человека, к биотическим, учитывающим влияние облучения на отдельные виды (популяции) или их представителей, и экоцентрическим, предполагающим оценку воздействия на экосистемы в целом [1-3], что отражено в публикациях МКРЗ, МАГАТЭ, НКДАР ООН [4-7]. Наибольшее развитие в настоящее время получила концепция референтных животных и растений, предложенная МКРЗ как основа для проведения скрининговых оценок риска радиационных последствий для экосистемы [6]. Для референтных видов (12 представителей наземных и

Ульяненко Л.Н. – в.н.с., д.б.н., профессор, ВНИИ защиты растений; Удалова А.А.* – д.б.н., профессор, ИАТЭ НИЯУ МИФИ.

водных экосистем, отобранных с учётом их таксономической принадлежности, радиочувствительности, экологической и хозяйственной ценности) МКРЗ предлагает определять уровни дозового воздействия с использованием упрощённых дозиметрических моделей для сопоставления их с «референтными уровнями обеспокоенности» (derived consideration reference level), представляющими собой диапазоны мощностей доз, в пределах которых не ожидается возникновения негативных эффектов у соответствующих представителей биоты.

Концепция референтных видов далека от совершенства и подвергается критике [8, 9]. К её слабым местам относятся невозможность адекватно отразить исчисляемое миллионами видов и элементарных биоценозов биологическое разнообразие на Земле через ограниченное количество референтных видов; пробелы в знаниях о закономерностях формирования дозовых нагрузок и радиационно-индуцированных эффектов даже у 12 отобранных видов биоты во всех ситуациях облучения и на всех этапах онтогенеза; принципиальная невозможность прогнозирования биоценотических реакций, экологических и адаптационных модификаций в структуре и функционировании сообществ организмов.

Кроме того, список референтных видов МКРЗ включает только представителей дикой биоты, тогда как значительную роль в функционировании биосферы играют агроэкосистемы, занимающие ≈10% суши. Как индикаторы радиационной и экологической безопасности для человека сельскохозяйственные экосистемы имеют ряд преимуществ: как правило, они более чувствительны и менее устойчивы к воздействию стресс-факторов, чем природные экосистемы; находятся в непосредственном «контакте» с человеком – располагаются в плотнонаселённых регионах Земли и служат началом ведущих к человеку пищевых цепочек. Кроме того, для сельскохозяйственных животных и растений получено значительно больше данных об эффектах радиации, чем для дикой биоты [10].

В настоящей работе рассмотрены основные принципы оценки состояния окружающей среды по ответным реакциям сельскохозяйственных культур на действие ИИ и проведён обзор некоторых модификаций этих реакций абиотическими и биотическими факторами.

Принципы оценки состояния агроценозов по ответным реакциям сельскохозяйственных культур

При реализации экосистемного подхода важное значение имеет совокупность сведений о действии ИИ на различные виды живых организмов, а также корректность выбора референтных видов. При этом биологические показатели служат как для оценки наблюдаемых изменений у представителей биоты под действием фактора, так и в качестве индикатора характера и активности вызываемых им процессов [11].

В практике оценки состояния экосистем по биотическим показателям [12] используют 3 класса критериев: 1) экологические тематические, 2) пространственные и 3) динамические. В состав тематических входят почвенные, ботанические, зоологические оценочные критерии, которые характеризуют ресурсный потенциал анализируемого компонента, а через него – состояние экосистемы. Одним из показателей ботанических нарушений является продуктивность растений (% от потенциальной) и гибель посевов (% от площади). Интегральная характеристика природно-антропогенных экологических нарушений в свою очередь включает четыре уровня – норма (Н), риск (Р), кризис (К) и бедствие (Б) [11].

Применительно к агроэкосистемам в условиях радиационного воздействия основополагающим показателем считают продуктивность сельскохозяйственных культур. При разных уровнях нарушений показатели «снижение урожайности» составляют <15, 15...40, 40...80, >80% для Н, Р, К и Б соответственно; «засоренность агроценозов»: <10, 10...40, 40...80, >80%; «развитие вредителей - <10, 10...20, 20...50, >50%. При этом для показателя «систематическая гибель посевов» эти величины ещё меньше (<5, 5...15, 15...30, >30% от общей площади) и при 30% - характеризуются как бедствие [12].

Устойчивость растений к техногенному воздействию имеет определяющее значение для оценки состояния всего агроценоза. Для высших растений устойчивость выражается в их способности (регулируемой генетически обусловленными и внешними факторами среды) переносить высокие уровни экспозиции стресс-агентов различной природы в течение длительного времени без ощутимых негативных эффектов на метаболизм [13]. Для культурных растений важно сохранение продуктивности и качества урожая [12].

Развитие радиобиологических эффектов у растений является как функцией дозовой нагрузки (включая такие параметры, как доза, мощность дозы, качество излучения, ОБЭ), так и восстановительных способностей организма. При этом временная шкала радиобиологических процессов у растений колеблется от 10-15 с (атомно-молекулярный уровень) до клеточного (сут), организменного (десятки сут, мес.) и ценотического (годы) уровней [14], и для каждого из них характерны свои особенности, обусловленные биологией развития растений [14-19].

В понятие радиочувствительности вкладывают представление о собственно устойчивости организмов к облучению (т.е. способность не разрушаться под действием поглощённой энергии) и о способности к восстановлению нарушений (репарация повреждений). Характер ответных реакций растений на один и тот же действующий фактор различен в разные периоды онтогенеза. Радиобиологические эффекты при облучении семян и вегетирующих растений оцениваются обычно по величинам ЛД50, ЛД70 и ЛД100 - дозам излучения, вызывающим, соответственно, гибель 50, 70 или 100% растений к концу вегетационного периода [20]. Для большинства сельскохозяйственных культур дозы радиации, вызывающие гибель 50% растений, приводят к полной потере продуктивности [21].

К наиболее чувствительным периодам относятся прорастание семян и переход растений от вегетативного состояния к генеративному, характеризующемуся повышенной метаболической активностью и высокой интенсивностью клеточного деления. Наиболее устойчивы растения к радиации в период созревания и физиологического покоя семян [21]. Для зернобобовых культур УД50 (доза, при которой происходит потеря 50% урожая культуры) находится в пределах 5 Гр, для пшеницы озимой и яровой - в интервале 8-12 Гр. УД50 для винограда - 25 Гр, подсолнечника - 30 Гр, гречихи и проса - 50-70 Гр, льна-долгунца - 100 Гр, сахарной свеклы и турнепса - 200 Гр [22].

В зависимости от фазы развития растений, на которой произошло облучение, значения УД 50 для зерновых культур могут изменяться на 50% и более, как показано на примере овса сорта Льговский и ячменя сорта Красноуфимский [23], а также пшеницы озимой сорта Безостая 1 (при облучении в дозе 20 Гр в период всходов, кущения, выхода в трубку, колошения, цветения, молочной и восковой спелости снижение урожая составляло 15, 30, 55, 40, 30, 5 и 0% соответственно [22]).

На примере анализа изменения продуктивности 2-х контрастных по радиочувствительности сортов яровой пшеницы (Саратовская 29 – более устойчивый сорт и Альбидум 43 – менее устойчивый сорт [24]) установлены значительные интервалы изменения продуктивности [25] при облучении в дозе 16 Гр в фазу начала выхода в трубку: кратность снижения продуктивности у сорта Альбидум 43 (по сравнению с необлучённым контролем) составляла 4 раза, тогда как у сорта Саратовская 29 – 2,6 раза. Изучение внутривидовой дифференциации гексаплоидной пшеницы [26] свидетельствует о различиях в показателях эффективных доз (ЭД 50 ) у контрастных сортов до 2-5 раз.

Повышенная чувствительность растений к облучению в фазу выхода в трубку приводила к более глубокому подавлению ростовых процессов у растений пшеницы сортов Саратовская 41 (более радиочувствительный сорт) и Саратовская 29 [27]. На фоне общего угнетения ростовых процессов (снижение высоты растений, общей и продуктивной кустистости, озернен-ности колоса) снижение продуктивности пшеницы Саратовская 29 достигало 50%, Саратовская 41 – 85% и выше.

Предложенные критерии оценки техногенного воздействия на экосистемы и показатели экологического неблагополучия, а также данные о потере урожайности в разные сроки после облучения растений нашли свое отражение в методике оценки устойчивости агроэкосистем в условиях техногенного воздействия [28]. Развитие этого подхода с учётом международных рекомендаций и разработок в области радиационной защиты представлено в предложенной методологии оценки допустимого воздействия ИИ на агроценозы [29-31], где с единых позиций проанализирована совокупность имеющихся в сельскохозяйственной радиологии данных об эффектах ИИ у культурных растений, и оценены критические дозовые нагрузки на зерновые культуры для разных ситуаций облучения. Показано, что в случае острого облучения вегетирующих растений УД 5 0 для основных зерновых культур составляют не менее 15-17 Гр, а при хроническом облучении 10-процентное снижение показателей продуктивности достигается при мощностях дозы не ниже 3-10 мГр/ч (30-90 Гр/год). При этом определение допустимого радиационного воздействия на агроценозы рассматривается как составная часть системы радиационной защиты агроэкосистем.

Влияние ИИ на компоненты ценоза и модификация ответных реакций растений под влиянием биотических факторов

Под референтными видами МКРЗ понимает [5] гипотетические (фантомные) организмы, обладающие обобщёнными экологическими, биологическими и радиоэкологическими характеристиками. Ближайшим аналогом сельскохозяйственных растений в списке МКРЗ является «дикий злак». Полученные на базе референтных организмов оценки предполагается использовать для принятия управленческих решений в области природопользования, что вызывает вопросы о размере возможных неопределённостей и отклонений между оценками и наблюдаемыми в натурных условиях эффектами [8]. В биоценозе, в том числе в «полуприродном» или агроценозе, существует множество модифицирующих факторов, роль которых в условиях действия стресс-агента может меняться.

Один из важных биотических факторов, влияющих на растения в агроценозе, это воздействие вредных организмов – фитопатогенов и насекомых-вредителей. По распространённости и причиняемому вреду среди болезней сельскохозяйственных культур лидирующее место зани- мают грибные листостебельные такие как: виды ржавчины (Puccinia spp.), мучнистая роса (Blumeria graminis), септориозы (Septoria spp.), пиренофороз (Pyrenophora spp.), тёмно-бурая пятнистость, которые способные снизить урожайность на 30% и выше при эфипитотиях [32].

В условиях действия ИИ можно ожидать как снижения, так и увеличения вирулентности и агрессивности патогенов. Это подтверждено результатами исследований влияния β-излучения на патогенные свойства уредоспор стеблевой ржавчины – Puccinia graminis Pers. f. sp. tritici Erikss. et Henn . (раса 11), в которых отмечено увеличение всхожести и вирулентности уредоспор после их облучения в дозах 15-50 Гр [22], и отсутствие строгой зависимости спорообразующей способности патогена от дозы облучения [33]. Развитие ответных реакций растений пшеницы, облучённых в дозах 15, 30 и 50 Гр при воздействии патогена, показало, что вирулентность уре-доспор зависела от сроков заражения и облучения: при облучении в момент проникновения в ткани гриба P. tritici она возрастала до 40 раз, а при облучении через двое суток после заражения, напротив, снижалась в 1,5-7,0 раз [33]. Несмотря на различия в абсолютных величинах выявлена одинаковая направленность изменения восприимчивости растений 15 сортов яровой и озимой пшеницы, облучённой на фазе всходов в дозе 21 Гр, к возбудителю стеблевой ржавчины P. tritici : сорта, относящиеся к группе умеренно-восприимчивых, в основном не изменяли своей предрасположенности к инфекции. Совместное действие облучения и заражения растений пшеницы стеблевой ржавчиной в фазу колошения провоцировало потерю урожая зерна в зависимости от дозы облучения дополнительно до 50% по сравнению с облучёнными, но неза-ражёнными патогеном растениями.

Проведение исследований на разных видах сельскохозяйственных растений, сортах и при воздействии патогенов разной этиологии практически не представляется возможным из-за многофакторности и индивидуальных свойств тех или других представителей агроценозов. Ещё большая проблема заключается в том, что в силу разных причин, в основном из-за трансформации агроэкосистем, за последние годы фитосанитарная обстановка осложнилась [34], изменились доминантные виды, их вредоносность. В частности, в Восточной Африке отмечено появление новой вредоносной расы стеблевой ржавчины пшеницы Ug99, поражающей неиммунное растение на любой стадии и приводящей к его быстрой гибели [35] и потерям урожая зерна в посеве на 80%. С учётом высокой жизнеспособности и мобильности спор, распространение этой расы – только вопрос времени. Можно предположить, что в условиях действия негативных факторов окружающей среды развитие инфекции способно вызывать дополнительные потери урожая или полностью маскировать воздействие ИИ.

Вред от насекомых-вредителей в агроценозах в условиях облучения сохраняется [36]. Радиочувствительность насекомых определяется разнообразием форм и биологических особенностей их развития и размножения. Различия проявляются как на уровне систематических таксонов, так и в зависимости от фазы развития насекомых. Насекомые-паразиты отличаются более высокой устойчивостью к облучению по сравнению с насекомыми-фитофагами, что обусловлено различиями в метаболизме, в частности, процессов аноксибиотического расщепления органических веществ, свойственных только ведущим паразитический образ жизни насекомым [37].

Одним из вредоносных и опасных для зерновых культур является клоп вредная черепашка (Euryguster integriceps Put.), поскольку вызываемые им повреждения приводят не только к потере урожайности, но и резкому ухудшению технологических и репродуктивных свойств семян. В модельном опыте [38] показатель выживаемости личинок клопов вредной черепашки, отродившихся из облучённых в различных дозах (0,5-50 Гр) яиц, зависел как от фазы развития, на которой произошло воздействие, так и от дозы облучения. Доза 50 Гр оказалась гибельной для личинок всех возрастов. Через месяц после воздействия в дозе 0,5 Гр на 1 этапе органогенеза гибель личинок (% к числу отродившихся) составила около 47%, на 2 и 3 этапах 100процентную гибель личинок наблюдали при воздействии в дозе 20 Гр, а при облучении на 4 и 5 этапах – 30 и 50 Гр соответственно. При этом менялось соотношение полов молодых имаго (смещение в сторону увеличения числа самок). Установлено, что выживаемость личинок F1, отродившихся из яиц клопов вредной черепашки, отложенных облучёнными самками родительского поколения, также зависела от дозы облучения (отмечена как стимуляция, так и угнетение). Полученные данные свидетельствуют о том, что возникающие после облучения эффекты у насекомых могут быть кратковременными, имеющими место в течение нескольких суток при переходе из одной фазы в другую, или длительными, сохраняющимися в течение одной (или нескольких) генераций. И в том, и в другом случаях, эти изменения необходимо принимать во внимание при оценке продуктивности ценозов и определении состояния сельскохозяйственных растений.

Влияние климатических факторов на радиочувствительность

Среди множества факторов, влияющих на рост и развитие растений, определяющее значение принадлежит условиям внешней среды. Температурный режим определяет интенсивность фотосинтеза, обменных процессов, транспорт элементов питания из почвы в растения и поступление воды [39, 40].

На разных по радиочувствительности сортах яровой пшеницы (Саратовская 29 – устойчивый и Саратовская 41 – чувствительный) показано [27], что повышение температуры воздуха до 27 °С (моделирование засушливого периода вегетации) на фоне оптимальной влагообеспе-ченности почвы (60% от полной влагоёмкости почвы) усиливает (по сравнению с оптимальными условиями выращивания – 22 °С) повреждающий эффект радиации. Понижение температуры воздуха до 15 °С характеризовалось менее значимым снижением урожая. Коэффициент отношения продуктивности (% от необлучённого контроля) радиоустойчивого сорта к радиочувствительному при облучении растений в фазу кущения при оптимальных условиях выращивания колебался от 1,9-1,7 при облучении в дозах 8 и 12 Гр, до 4 и 11,6 – в дозах 16 и 20 Гр; при температуре воздуха 15 °С – 3,4; 2,8; 14,8 и 4,1 для доз облучения 8, 12, 16 и 20 Гр; при температуре воздуха 27 °С – 2,3-2,4 для доз облучения 8-12 Гр; при облучении в дозах 16 и 20 Гр потери зерна радиочувствительного сорта составили 100%. Если рассчитать средние значения показателей потери продуктивности по двум сортам, то, например, при облучении в дозе 12 Гр при температуре воздуха 22 °С отклонений от контроля вообще не наблюдается. Соответственно можно сделать заключение, что эта доза не приводит к радиационно-индуцированному подавлению продуктивности растений. При других температурных условиях отклонения показателя от контрольных значений были более выражены.

С использованием множественного корреляционного анализа была проведена оценка значимости факторов (сортовые особенности, фаза развития растений при облучении, доза облучения, температурный режим и влагообеспеченность почвы в период вегетации) с точки зрения их влияния на показатели продуктивности пшеницы, которая показала, что коэффициент детерминации R2 равен 0,743, а коэффициенты корреляции для всех рассматриваемых факто- ров, кроме влагообеспеченности почвы, являются значимыми на уровне p<0,05. По относительному вкладу в результирующий эффект исследуемые факторы располагаются в последовательности: фаза развития растений, на которой происходит облучение; доза облучения; температура воздуха в период вегетации; сортовые различия в радиочувствительности, влаго-обеспеченность почвы [27].

Таким образом, даже на примере двух сортов с разной устойчивостью к действию ИИ и выращиваемых в разных условиях температурно-влажностного режима однозначно оценить потери продуктивности растений достаточно сложно, не говоря уже о прогнозировании состояния совокупности культур, объединённых по морфофизиологическим признакам или хозяйственному значению, и корреляции полученных данных с состоянием агроценозов.

Возможные неопределённости в развитии устойчивости сельскохозяйственных культур к ИИ, обусловленные характеристиками посевного материала

При рассмотрении устойчивости сельскохозяйственных культур к действию ИИ в зависимости от условий среды практически не уделяется внимание семенам не как объектам самостоятельного изучения, а как нулевой стадии (стадия покоя) развития растений. Радиорезистентность, как и другие свойства высших растений, находится под строгим генетическим контролем и наследуется полигенно [26]. Отмечена высокая информативность показателей эффективной дозы (ЭД 50 ), вызывающей 50-процентное угнетение развития проростков, для прогноза радиоустойчивости сорта в пределах морфофизиологического типа [41].

С выявлением так называемых немишенных эффектов, одна из основополагающих концепций в теоретической радиобиологии – теория мишени – претерпевает изменения: отмечены геномные перестройки и/или клеточные эффекты без очевидного прямого индуцированного повреждения ДНК, что необходимо принимать во внимание при изучении ответных реакций живых организмов на облучение. В широком смысле эти явления делятся на радиационно-индуцированную геномную нестабильность и постлучевой эффект передачи сигнала между соседними клетками – «эффект свидетеля» [42]. Эффект свидетеля обнаружен и на семенах сельскохозяйственных культур при хранении облучённых и необлучённых семян в общем воздушном объеме [43]. Авторами было отмечено, что на начальные ростовые процессы семян пшеницы сорта Московская 39 («свидетелей»), экспонированных с облучёнными семенами, влияет не только длительность совместного хранения, но и доза облучения последних [44]: экспонирование в течение 1 месяца интактных семян с облучёнными в дозах 200 и 400 Гр стимулировало ростовые процессы первых, тогда как при экспонировании с облучёнными в дозе 600 Гр семенами ростовые процессы деградировали. Введение интактному растению тканевых экстрактов от облучённого подавляло процессы метаболизма и повышало радиочувствительность [45].

При изучении реакции семян ячменя сорта Нур на облучение 60Co в дозах 2-50 Гр по морфометрическим показателям [46] установлено, что в диапазоне доз 10-20 Гр происходит стимуляция роста. При этом значение имеет как мощность дозы облучения, так и сроки хранения семян в состоянии покоя после облучения.

Изучение радиочувствительности семян, полученных из урожая зерновых злаковых культур в модельных опытах в 10-километровой зоне ЧАЭС на участках с различной плотностью загрязнения по 137Cs, свидетельствует об изменении величины этого показателя в поколениях и его связи с дозой, поглощённой материнскими растениями за период вегетации [47].

Таким образом, по комплексу показателей покоящихся и прорастающих семян существуют значительные колебания радиорезистентности, обусловленные не только генетическими характеристиками, но и детерминированными условиями среды и силой воздействия стресс-фактора. Сведения о сохранении или элиминировании приобретённых изменений в чувствительности к действию ИИ в поколениях совершенно недостаточны, чтобы выявить какие-либо закономерности для большой группы сельскохозяйственных культур.

Заключение

Современные тенденции гармонизации системы взаимоотношений человека и окружающей среды требуют совершенствования приемов её защиты от возрастающей техногенной нагрузки для сохранения биоразнообразия, поддержания устойчивого функционирования экосистем и оптимизации природопользования. Развитие и внедрение экоцентрической стратегии обеспечит повышение экологической безопасности человека.

Эффективными индикаторами состояния окружающей среды могут выступать компоненты сельскохозяйственных экосистем, среди которых по экологической значимости в агроценозе важное положение занимают растения. Вместе с тем, предлагаемая в настоящее время редукционистская схема оценки риска для окружающей среды, базирующаяся на концепции референтных видов, может оказаться неэффективной. Многообразие ответных реакций сельскохозяйственных культур на действие ИИ, обусловленное большим числом видов и сортов, как и неоднозначность влияния модифицирующих агентов биотической и абиотической природы ещё раз подтверждают необходимость планомерного и последовательного изучения отклика растений на действие радиации, создавая единый унифицированный методологический подход к планированию и осуществлению экспериментальных работ, анализу полученных результатов и созданию тематических баз данных, в которых будут отражены эффекты сопутствующих выращиванию растений факторов. С учётом уникальности биологии развития растительных организмов необходимо принимать во внимание, что факторы, способные вызвать повреждения, не только влияют на метаболические реакции, но и способны индуцировать запуск комплекса защитно-приспособительных реакций в растениях. При этом нельзя исключать значимость биотических факторов (фитопатогенов, насекомых-вредителей), не только модифицирующих ответные реакции растений, но и способных вызывать синергические эффекты.

Таким образом, для целей оценки состояния и радиационной защиты окружающей среды важно развивать экосистемный подход, который бы включал в качестве целевых показателей эффекты не только на организменном (выживаемость, продуктивность, заболеваемость), но и на популяционном и ценотическом уровнях. Внедрение в систему оценки состояния биоценозов таких показателей как численность/биомасса популяций, темпы размножения, первичная продуктивность, биоразнообразие, таксономическая и трофическая структура и т.п., позволит в будущем аккумулировать эффекты взаимообусловленных реакций всех компонентов био- и агроценозов. Также большое значение может иметь адаптация существующих математических и расчётных инструментов для создания оптимальной многофункциональной модели анализа данных и использования их в качестве прогнозных оценок состояния агроценозов на основе представления отклика одного из их компонентов.

Работа выполнена при поддержке РГНФ и Правительства Калужской области, грант № 14-16-40025.