Оценка влияния 90Sr на морфометрические показатели и уровень белков металлотионеинов в мягких тканях сухопутных моллюсков Bradybaena fruticum на биотопе регионального хранилища радиоактивных отходов

Опасение относительно возможного неблагоприятного воздействия радиационного фактора на здоровье населения и окружающую среду является одним из сдерживающих факторов развития атомной энергетики. При этом несомненную актуальность представляет развитие эко-центрической стратегии радиационной защиты, в рамках которой наиболее разработанной является предложенная МКРЗ концепция «условных или референтных животных и растений» [1]. Предполагается, что использование основных рекомендаций МКРЗ, отражённых в Публикациях 91 и 108 [1, 2], позволит гармонизировать системы радиационной защиты природы и человека [3]. Следует отметить, что МКРЗ предлагает набор из 12 референтных видов, который удовлетворяет сформулированным Комиссией требованиям. Однако его практическое применение в определённых природно-климатических, геоморфологических, радиоэкологических условиях не всегда даёт адекватную оценку особенностей функционирования экосистем, поэтому концепция референтных видов подвергается критике [4, 5]. В связи с этим предложенный набор референтных видов не является окончательным, что требует обоснования для включения и других

представителей биоты в набор референтных, в том числе с учётом особенностей формирования дозовых нагрузок и радиационно-индуцированных эффектов.

В настоящей работе рассмотрены особенности изменения морфометрических показателей и уровня белков металлотионеинов (белки-МТ) в мягких тканях моллюска вида улитка кустарниковая (Bradybaena fruticum) в условиях радиоактивного загрязнения ⁹⁰Sr сухопутной экосистемы.

Площадкой для проведения исследований является биотоп регионального хранилища радиоактивных отходов в черте Калужской области, которое было создано в 50-е гг. прошлого века. В результате проведения контроля за химическим и радионуклидным составом подземных вод в оборудованных наблюдательных скважинах было установлено, что в 1998 г. произошла разгерметизация одной из ёмкостей хранилища и утечка радионуклидов [6, 7]. В результате чего в почве образовался неконтролируемый источник поступления радионуклидов в компоненты экосистемы. На основании многолетних исследований установлено, что радиоэкологическая обстановка на изучаемой территории обусловлена 90Sr [6, 8-10].

Материалы и методы

Пробоотбор. Для расчёта мощности дозы облучения сухопутного моллюска вида улитка кустарниковая (Bradybaena fruticum) и определения морфометрических показателей и белков-МТ в тканях моллюсков был осуществлён пробоотбор почвы, растительности, моллюсков.

Рис. 1. Карта-схема локальных участков пробоотбора.

Пробы почв были отобраны на 42-х локальных контролируемых участках (рис. 1) с помощью специализированного пробоотборника с набором ручных почвенных буров Эдельмана («Eijkelkamp», Нидерланды). Пробоотбор моллюсков вида Bradybaena fruticum осуществляли с растений (крапивы) и с почвы под растениями. Осуществлялся пробоотбор моллюсков среднего возраста в количестве 25-30 особей с одного локального участка. Ввиду того, что в кормовой базе моллюсков предпочтение отдаётся кальциефильным растениям, был осуществлён пробо-отбор крапивы двудомной (Urtíca dióica).

Определение содержания ⁹⁰Sr и тяжёлых металлов в компонентах экосистемы. Измерение удельной активности с предварительным радиохимическим выделением ⁹⁰Sr в пробах почвы, растительности, сухопутных моллюсках проводили на сцинтилляционном β-спектромет-ре «БЕТА-01С» по стандартной методике определения содержания ⁹⁰Sr по β-излучению его дочернего радионуклида ⁹⁰Y в объектах окружающей среды [11].

Для исключения влияния химического загрязнения на изучаемые показатели в почвах контролируемых локальных участков была определена концентрация тяжёлых металлов (Ni, Zn, Mn, Cu, Pb, Co, Cd, Cr, Fe). Концентрацию тяжёлых металлов в почвенных вытяжках измеряли методом атомной эмиссии с индуктивно связанной плазмой (ICP AES Varian Liberty II). При этом установлено, что в почве контролируемых участков содержание тяжёлых металлов не превышает установленные ПДК, а также их концентрация не превышает соответствующие концентрации в почве контрольного участка.

Определение удельной активности 90Sr и концентрации тяжёлых металлов в каждой пробе осуществляли в трёхкратной повторности.

Для проведения исследований был выбран контрольный участок (8b) с удельной активностью 90Sr в почве 20±3 Бк/кг и с однородной (по сравнению с почвами изучаемых локальных участков) концентрацией тяжёлых металлов.

Оценка мощности поглощённой дозы моллюском. Оценку мощности поглощённой дозы для сухопутного моллюска осуществляли посредством метода Монте-Карло с использованием программы MCNP5. При этом учитывались следующие сценарии облучения: самооблуче-ние от ⁹⁰Sr, депонированного в раковине организма и в мягком теле; облучение от ⁹⁰Sr в почве при обитании моллюска на поверхности почвы в вегетационный период (210 дней в году) и в почве в состоянии анабиоза (155 дней в году); облучение от ⁹⁰Sr, содержащегося в растительности.

Определение морфометрических показателей и белков-МТ. Измерение морфометрических показателей (высота раковины, диаметр раковины) осуществляли с помощью бинокулярного микроскопа марки Motik BA 310 (Motic China Group Co. Ltd.).

Уровень белков-МТ в тканях органов животных определялся радиохимическим методом, основанным на замещении ионов металла радиоактивным 109Cd, хелатированных в МТ.

Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась с помощью программы R.

Результаты и обсуждение

На основании проведённого расчёта дозовой нагрузки для сухопутного моллюска вида Bradybaena fruticum установлено, что мощность поглощённой дозы моллюском на изучаемой территории варьирует в диапазоне значений от 0,32±0,07 (в контроле) до 76±18 мГр/год. При этом основная дозовая нагрузка на 95% формируется при условии самооблучения от раковины (0,7±0,1 – 71±17 мГр/год).

Как указывалось ранее, в рамках данной работы изучено изменение морфометрических характеристик моллюска (высота и диаметр раковины) и уровня белков-МТ в мягких телах в ответ на повышение мощности дозы облучения. При этом установлено достоверное изменение показателей высоты раковины и уровня белков-МТ, в отличие от диаметра раковины, изменение которого не установлено в изучаемом диапазоне мощностей доз.

Выявлено изменение ростового параметра моллюсков вида улитка кустарниковая – высота раковины – при увеличении мощности поглощённой дозы облучения, которое описывается уравнением вида y=0,5+0,06xe(-0,04x) (p<0,05) (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость изменения высоты раковины от мощности поглощённой дозы облучения сухопутных моллюсков (* – статистически значимо отличаются от контроля при α=0,05).

При этом до мощности поглощённой дозы облучения моллюсков 37±6 мГр/год наблюдается повышение показателя от 0,41±0,06 до 1,5±0,3 см. При дальнейшем повышении мощности поглощённой дозы облучения моллюсков 90Sr наблюдается угнетение параметра, и высота раковины снижается до значений 0,41±0,06 см, сохраняя пониженные значения до дозовых нагрузок 76±18 мГр/год.

Следует отметить, что на изменение морфометрических показателей сухопутных моллюсков, в частности формы и размера раковины, могут оказывать влияние ряд факторов, включая климатические (температура среды обитания, влажность), плотность популяции, возраст моллюсков, загрязнение места их обитания [12-16]. Однако в соответствии с условиями постановки натурного эксперимента большинство факторов потенциального влияния на морфометрические изменения в теле моллюска исключаются, а именно:

• -    климатические – ввиду того, что локальные участки изучаемой территории, общей площадью 0,6 га, расположены в идентичных климатических условиях (уровень влажности, температурные условия среды обитания, затенённость/освещённость);

• -    плотность популяции – ввиду того, что пробоотбор моллюсков осуществлялся с локальных участков, характеризующихся идентичной плотностью популяции Bradybaena fruticum (≥ 24 особи/м²) ;

• -    возрастной фактор – анализировались особи одной возрастной группы;

• -    химическое загрязнение изучаемой территории – ввиду однородности загрязнения контролируемых локальных участков по сравнению с контрольным участком и относительно друг друга.

На основании вышесказанного, а также, учитывая неоднородность радиоактивного загрязнения изучаемой территории по сравнению с контрольным участком (удельная активность ⁹⁰Sr в почве варьирует в диапазоне 1,5±0,2 – 5203±785 Бк/кг; в растительности – от 5,8±0,9 до 13311±2013 Бк/кг), что в свою очередь определяет разные уровни облучения изучаемых организмов, можно предположить радиационную природу обнаруженных изменений по высоте раковин сухопутных моллюсков вида Bradybaena fruticum.

Подобное предположение возможно и в отношении изменения уровня белков-МТ в мягких тканях моллюсков от 12,4±1,4 до 57±9 мкг/г при увеличении дозовой нагрузки на организм, которое описывается кусочно-линейной зависимостью (рис. 3) вида y=a+k(x-b) (р<0,05), где a – постоянное значение до порога (19,3), b – критическое (пороговое) значение мощности поглощённой дозы (42,3 мГр/год), k – коэффициент пропорциональности в области линейного отклика (1,12) (p<0,05).

Рис. 3. Изменение уровней белков-МТ в мягких телах моллюсков в зависимости от дозовой нагрузки на организм, формируемой ⁹⁰Sr (* – статистически значимо отличаются от контроля при α=0,05).

Согласно данной модели отмечается дозонезависисмый участок при мощностях доз 0,38±0,02 – 42,3±5,8 мГр/год, где уровень синтеза белков-МТ не меняется, что может свидетельствовать о возможности организма устанавливать гомеостаз посредством детоксикации образующихся оксирадикалов. В этом случае, возможно, активно протекает репарация ДНК и активируются антиоксидантные свойства белков-МТ, связанные с белковой структурой МТ и наличием в ней сульфгидрильных групп [17]. Тогда как при более высоких дозовых нагрузках (46±7 – 76±18 мГр/год) наблюдается монотонный линейный рост уровня белков-МТ в мягких тканях сухопутных моллюсков вида улитка кустарниковая (Bradybaena fruticum) , что может свидетельствовать о накоплении радионуклида в организме моллюсков и развитии окислительного стресса.

Следует отметить, что влияние тяжёлых металлов на изменение уровня белков-МТ в мягких тканях моллюсков на изучаемой территории исключается ввиду однородности загрязнения.

Заключение

Ситуация, сложившаяся в вопросах радиационной безопасности биоты, требует решения задач, связанных с оценкой воздействия ионизирующего излучения на показатели живых организмов, включая генетические, репродуктивные, морфометрические показатели, поведенческую активность и др.

При этом в лабораторных и натурных исследованиях важным аспектом является выбор показателя, способного количественно (в целях построения зависимостей «доза-эффект») охарактеризовать степень и биологический эффект при воздействии радиационного фактора.

В рамках проведённого исследования установлено достоверное радиационно-индуцированное изменение показателей высоты раковины и уровня белков-МТ в диапазоне мощности доз облучений моллюсков от 0,32±0,07 до 76±18 мГр/год.

В данной работе выявлено, что сухопутный моллюск вида Bradybaena fruticum является биоиндикатором радиоактивного загрязнения сухопутной экосистемы в условиях незначительного радиоактивного загрязнения экосистемы радиоактивным стронцием. Учитывая вышесказанное, а также требования к референтным видам, моллюск Bradybaena fruticum может выступать в качестве альтернативного референтного вида для оценки состояния экосистем, подвергшихся радиоактивному загрязнению. В свою очередь морфометрические показатели высота раковины моллюска и уровень белков-МТ могут претендовать на роль референтных для оценки воздействия радиационного фактора на сухопутную экосистему.