Эколого-генетическая и эпидемиологическая оценка горных территорий центрального кавказа, загрязненных тяжелыми металлами (на примере кабардино-балкарской республики)
На правах рукописи
РЕУТОВА Нина Васильевна
Эколого-генетическая и эпидемиологическая оценка горных территорий Центрального Кавказа, загрязненных тяжелыми металлами (на примере Кабардино-Балкарской Республики)
Специальность 03.00.16 – Экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Нальчик. 2008
Работа выполнена в ГУ «Высокогорный геофизический институт» Росгидромет и в ГУЗ «Республиканский центр планирования семьи и репродукции » МЗ КБР.
Научный консультант:
Доктор медицинских наук, профессор Г. Д. Засухина
Официальные оппоненты:
Доктор биологических наук, профессор Д. Н. Кавтарадзе
Доктор биологических наук, профессор Ю. П. Козлов
Доктор биологических наук М. Д. Померанцева
Ведущая организация:
Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра РАН
Защита состоится « 23 » мая 2008 г. в 14 часов на заседании Диссертационного Совета Д. 501.001.55 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук по адресу: 119992, ГСП – 2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, д. 1, корпус 12 (биофак)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан « » 2008 г.
Ученый секретарь
Диссертационного Совета
Кандидат биологических наук Н.В. Карташева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Изучение влияния возрастающего загрязнения окружающей среды на живые организмы является одной из важнейших проблем современности. Прогресс человечества неразрывно связан с развитием промышленности, а развитие промышленности неизбежно ведет к загрязнению атмосферы, гидросферы, литосферы (почвы) и биосферы. Загрязнение воды, воздуха, почвы негативно сказывается на живых организмах, в том числе и на человеке.
В настоящее время разработан ряд эффективных методов оценки качества окружающей среды, к которым относятся: классический – это отбор проб воздуха, воды, почв и их лабораторный анализ с использованием физико-химических методов. Однако такой подход не дает возможности определить меру опасности выявленного загрязнения для живых организмов (в том числе и человека) и их сообществ. Другой подход – это определение генотоксического эффекта загрязнений с использованием набора тест-систем, что позволяет выявить наличие мутагенного, канцерогенного, тератогенного и других неблагоприятных влияний загрязнителей. С использованием этого подхода было протестировано огромное количество вновь синтезированных веществ, а также компонентов окружающей среды (почв, атмосферного воздуха, поверхностных вод и седиментов), содержащих набор самых разнообразных поллютантов. Однако и этот подход не дает достаточной информации о том, каким образом выявленный с помощью тест-систем генотоксический эффект может влиять на растения, животных и их сообщества, а также на здоровье населения. В настоящее время получает развитие еще один подход к оценке качества окружающей среды. Это определение генотоксического влияния загрязнения непосредственно in situ на растения и животных, обитающих на данной территории. В данном случае будет учтен вклад всего комплекса опасных веществ, включая их возможный синергизм и антагонизм. Вместе с тем при таком подходе нерешенной проблемой остается оценка влияния загрязнения окружающей среды на здоровье населения. Достаточно трудно определить, как выявленное с помощью тест-систем и видов местной флоры и фауны генотоксическое влияние отражается на сообществах местной биоты и здоровье населения.
Загрязненная среда обитания оказывает токсическое влияние на живые организмы. Если токсическое влияние, как правило, легко определимо, то влияние на генетические структуры организма выявить весьма сложно, а его последствия в ряде случаев могут носить отдаленный характер.
Мутагенные загрязнения, привносимые в среду обитания человека, приводят к тяжелым генетическим последствиям – росту числа спонтанных абортов, врожденных уродств, наследственных болезней, что пагубно отражается на генофонде населения в целом. Не меньшую опасность представляют мутагены и как факторы, инициирующие развитие злокачественных опухолей. Известно, что большинство мутагенов являются канцерогенами. Загрязнение окружающей среды мутагенами – один из факторов, вызывающих преждевременное старение и сокращение продолжительности жизни.
Для выяснения причин роста числа тех или иных заболеваний и принятия мер для их устранения крайне важно своевременное проведение токсико-генетических исследований состояния окружающей среды.
Учитывая вышеизложенное, было проведено настоящее исследование, основой которого являлось: изучение возможности использования растительных тест-систем для определения мутагенного потенциала тяжелых металлов; подбор оптимальных тест-систем и изучение возможности их применения для выявления генотоксичности отходов предприятий цветной металлургии; определение уровня и спектра загрязнения исследуемых территорий химическими компонентами; определение генотоксического влияния разных типов загрязнения с использованием тест-систем и видов дикорастущей флоры и оценка показателей здоровья и структуры заболеваемости взрослого населения на исследуемых территориях в динамике. Для экологической оценки загрязненных территорий нами использован генетико-эпидемиологический подход, позволяющий экстраполировать в некоторой степени данные с тест-систем растительного происхождения на другие высшие организмы, в том числе и на человека.
Цель работы: разработка оптимальных методик оценки генотоксического эффекта загрязнения окружающей среды горных территорий Центрального Кавказа загрязненных тяжелыми металлами, анализ состояния здоровья населения, проживающего на загрязненной территории, и исследование возможности использования выявленных генетических изменений у растений в качестве одного из критериев прогноза возможной угрозы здоровью населения.
Задачи исследования:
- Оценка мутагенной активности тяжелых металлов и определение их токсических и мутагенных концентраций с использованием трех растительных тест систем - хромосомные аберрации в клетках корневой меристемы C. capillaris L., мутации в волосках тычиночных нитей традесканции клона 02 (Трад-ВТН) и соматические мутации в листьях сои (Glycine max (L.) Merill) линии Т219.
- Оценка возможности использования растительных тест-систем для определения генетических эффектов отходов вольфрамо-молибденового производства.
- Изучение уровня загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами в районе расположения горно-обогатительного комбината и в чистых районах, соответствующих ему по геоклиматическим характеристикам.
- Разработка методики оценки генотоксического потенциала почв, загрязненных различными типами химических соединений, с использованием растительной тест системы сои (Glycine max (L.) Merill) линии Т219 и определение ее чувствительности и пригодности для этих целей.
- Оценка возможности использования видов дикорастущей флоры для целей генетического мониторинга загрязнения окружающей среды и выбор видов, обладающих выраженной чувствительностью к различным типам загрязнений.
- Исследование влияния частоты мутаций на фенотипические признаки растений в районах с разными типами загрязнений.
- Анализ возможности использования различных тест-систем и определение оптимального их набора для целей генетического мониторинга загрязнения окружающей среды и прогноза угрозы здоровью населения
- Анализ состояния здоровья взрослого населения, частоты онкозаболеваний, спонтанных абортов, рождения детей с врожденными пороками развития (ВПР) и частоты наследственных заболеваний у населения, проживающего в районе расположения горно-обогатительного комбината и сравнение его с аналогичными показателями в контрольных районах.
- Оценка прогностической ценности предлагаемых методов и методик проведения эколого-генетического мониторинга загрязнения окружающей среды для определения возможной угрозы здоровью населения, проживающего на загрязненных территориях.
Научная новизна.
На основе проведения сравнительной оценки мутагенного потенциала восьми тяжелых металлов (Ag, Hg, Cu, Pb, Cd, Cr, Mo, W) с использованием трех растительных тест систем - C. capillaris L.,Трад-ВТН клона 02 и сои (Glycine max (L.) Merill) линии Т219 составлены ряды токсичности и мутагенности для этих металлов, показано наличие корреляции между их токсичностью и мутагенностью. Выявлены корреляционные связи между результатами, полученными на всех трех тест системах. Доказана пригодность вышеуказанных растительных тест систем для определения генотоксичности тяжелых металлов.
Впервые проведена оценка генотоксичности отходов предприятий цветной металлургии с использованием набора из трех растительных тест систем C. capillaris L.,Трад-ВТН клона 02 и сои (Glycine max (L.) Merill) линии Т219. В результате сравнительного анализа определены наиболее чувствительные к данному типу загрязнений и удобные в работе тест-системы.
Для целей генетического мониторинга загрязнения окружающей среды использованы растения дикорастущей флоры – 5 видов растений в случае загрязнения тяжелыми металлами: одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.s.l); костер кровельный (Anisantha tectorum); тонконог гребенчатый (Koeleria cristata); белена черная (Hyoscyanus niger) и юринея предкавказская (Yurinea ciscaucasica) и 4 вида растений в случае загрязнения нефтепродуктами: одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.s.l), ромашка непахучая (Matricaria recutita L.), конский щавель (Rumex confertus Willd.) и подорожник большой (Plantago major L). С учетом чувствительности и экономичности предложен наиболее подходящий вид растений дикорастущей флоры - одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.s.l) - широко распространенный и пригодный для использования в разных регионах для целей генетического мониторинга разных типов загрязнения окружающей среды.
Впервые проведен сравнительный анализ содержания тяжелых металлов и уровня хромосомных аберраций у разных видов растений дикорастущей флоры, произрастающих на отвалах горно-обогатительного комбината.
Впервые проведен сравнительный анализ частоты мутаций, определенных цитогенетическим методом у исследуемых растений с рядом фенотипических признаков и структурой растительных сообществ в изучаемых регионах.
Разработана методика оценки генотоксического потенциала объектов окружающей среды с использованием растительной тест-системы сои (Glycine max (L.) Merill) линии Т219 и видов дикорастущей флоры, пригодная для разных типов загрязнений, экономичная и простая в использовании.
На основе анализа частоты и структуры заболеваемости взрослого населения в загрязненных районах по сравнению с таковыми показателями в контрольных регионах выявлена наибольшая частота встречаемости патологии костно-мышечной системы и соединительной ткани.
В случае загрязнения окружающей среды рядом исследованных тяжелых металлов не выявлено различий между исследуемым и контрольным регионами по показателям онкологических заболеваний, хромосомных и аутосомно-доминантных моногенных заболеваний и рождения детей с врожденными пороками развития.
Получены доказательства мутагенной природы загрязнителей среды в районе расположения горно-обогатительного комбината и выявлено повышение частоты некоторых патологий человека (частота спонтанных абортов).
Показана необходимость использования растительных тест-систем и растений дикорастущей флоры для оценки качества окружающей среды.
Научно-практическая значимость.
На основе изучения ряда растительных тест-систем определены оптимальные методы для выявления генотоксического потенциала тяжелых металлов и комплексного загрязнения окружающей среды отходами предприятий цветной металлургии и показана высокая чувствительность C. capillaris L.,Трад-ВТН клона 02 и сои (Glycine max (L.) Merill) линии Т219.
Разработанная методика использования растительной тест системы сои (Glycine max (L.) Мerill) линии Т219 чувствительной к разным типам поллютантов, значительно упрощает и удешевляет проведение генетического мониторинга, оценку генетической опасности промышленных предприятий разного профиля и определение генотоксического потенциала почв в загрязненных районах.
Предложенный способ использования видов дикорастущей флоры для оценки состояния окружающей среды с точки зрения ее генетической безопасности дает возможность проводить исследования in situ, не требует сложного лабораторного оборудования и высоко квалифицированного персонала. Предлагаемый для этих целей вид - одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.s.l), обладающий высокой чувствительностью к разным типам загрязнений и произрастающий практически на всей территории России, дает возможность проводить исследования по генотоксическому влиянию загрязнителей окружающей среды в разных регионах с различными типами загрязнения.
Выявленное повышение частоты спонтанных абортов у женщин, проживающих на территории, загрязненной тяжелыми металлами по сравнению с показателями контрольных районов, показывает, что обнаружение генотоксических изменений у растений, как тестовых объектов, могут иметь определенную прогностическую ценность для оценки возможной угрозы здоровью населения.
Предложенная методика проведения генетического мониторинга загрязнения окружающей среды является оптимальной для данных целей, т.к. позволяет проводить исследования in situ, не требует особых материальных затрат и наличия сложной материально-технической базы.
Положения, выносимые на защиту.
- Выявленная в данном исследовании высокая чувствительность трех растительных тест систем - C. capillaris L.,Трад-ВТН клона 02 и сои (Glycine max (L.) Merill) линии Т219 – дает возможность использовать их для обнаружения генотоксического потенциала тяжелых металлов и исследования мутагенного влияния как жидких, так и твердых отходов предприятий цветной металлургии.
- Использованная растительная тест система соя (Glycine max (L.) Merill) линии Т219 является наиболее удобным и достаточно чувствительным объектом не только для тестирования мутагенов в лабораторных условиях, но и для генетического мониторинга почв и сточных вод.
- Предлагаемый метод использования видов дикорастущей флоры для целей генетического мониторинга дает возможность проводить оценку генотоксичности окружающей среды in situ и является очень чувствительным, легко доступным и экономически выгодным.
- В случае загрязнения окружающей среды продуктами переработки нефти и рядом тяжелых металлов обнаружена прямая корреляция между частотой мутаций и высотой растений и обратная корреляция между уровнем загрязнения, частотой мутаций и показателями плодовитости растений.
- В районе расположения горно-обогатительного комбината не выявлено повышения общего уровня заболеваемости. Однако обнаружено достоверное превышение заболеваемости костно-мышечной системы и соединительной ткани у населения изучаемого района по сравнению с аналогичными показателями одного из контрольных районов.
- У населения района, в котором расположен горно-обогатительный комбинат, не отмечено повышения частоты онкологических заболеваний, частоты рождения детей с врожденными пороками развития и увеличения частоты регистрируемых наследственных заболеваний. Однако, в районе расположения горно-обогатительного комбината, повышена частота спонтанных абортов.
- Применение растительных тест систем и видов дикорастущей флоры для генетического мониторинга загрязнения окружающей имеет прогностическую ценность для определения возможной угрозы здоровью населения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на общих геофизических семинарах Высокогорного геофизического института Госкомгидромета СССР (Нальчик 1988, 1993-1999, 2007 гг.); выездной сессии отделения АН СССР (Нальчик 3-6 мая 1990 г.); Всесоюзном координационном совещании «Генетические последствия загрязнения окружающей среды мутагенными факторами» (Самарканд, 1990); ежегодной конференции по химическому мутагенезу в Институте химической физики (Москва, 1991), Всероссийских чтениях им. Вернадского (Москва, 2000,2001); Региональной научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар 2004); Международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы интеграции науки и образования» (Владикавказ. 2004); 5-м Всероссийском съезде медицинских генетиков (Уфа, 2005); международной конференции «Climate and Environment» (Amsterdam, 2006).
Структура и объем работы. Работа изложена на 223 машинописных страницах, состоит из введения, обзора литературы, описания места исследования, материалов и методов исследования, шести глав, посвященных результатам исследования с обсуждением и заключением в конце каждой главы, общего заключения, выводов и списка литературы, который включает 323 источника, из которых 222 зарубежных. Работа иллюстрирована 43 таблицами, 15 рисунками, 6 микрофотографиями и 2 картами исследуемого района.
Глава II. Материалы и методы.
Определение мутагенного потенциала тяжелых металлов и жидких стоков промышленных предприятий проводили с использованием трех растительных тест-систем: скерды зеленой (С. сapillaris L.), традесканции клона 02 и сои (Glycine max. L. (Merill.) линии Т219. В первом случае использовали метафазный метод. Для этого воздушно-сухие семена С. сapillaris замачивали на 42 часа в исследуемых растворах, при 27оС. После обработки семена тщательно промывали в водопроводной воде. Затем обрабатывали 0,05% раствором колхицина в течение 3 часов. Фиксацию производили в спирт-уксусной (3:1) смеси. Окрашивали ацетокармином и из темно-окрашенных кончиков корней готовили временные давленые препараты по общепринятой методике (Л.Г. Дубинина 1978).
При работе с традесканцией клона 02 был использован метод определения соматических мутаций в клетках волосков тычиночных нитей (Трад-ВТН). Проводили обработку свежесрезанных черенков с молодыми соцветиями, в которых бутоны уже развились, но цветение еще не началось или расцвели 1-2 цветка. Для каждого варианта брали по 25-30 черенков и ежедневно просматривали 18-24 тычинки. Обработку проводили методом погружения соцветий в исследуемый раствор на 24 часа и производили учет только розовых мутационных событий с 6-го по 17-й день.
При работе с соей (Glycine max. L. (Merill.) 12-15 г воздушно-сухих семян замачивали сначала на 20 часов в водопроводной воде, чтобы гарантированно начался синтез ДНК, а затем еще на 24 часа в растворах изучаемых реагентов при комнатной температуре. Далее семена промывали и проращивали в течение 3-4 недель до появления двух первых простых и одного сложного листа. При подсчете тройчато-сложный лист приравнивается к трем простым. Поэтому на каждое растение анализируется по 5 листьев кроме желтых проростков, у которых успевают развиться только первые 2 простых листа. Поскольку более 80% пятен находятся на верхней стороне листьев, мы просматривали только верхнюю поверхность листьев. Данные приводили в виде числа пятен на лист и анализировали как общее их количество, так и частоту каждого отдельного типа пятен по каждому типу листа, чтобы можно было сделать заключение о специфичности действия мутагена.
При исследовании мутагенного потенциала тяжелых металлов в качестве контроля использовали дистиллированную воду. При изучении мутагенности жидких стоков промышленных предприятий контролем была водопроводная вода.
В случае определения генотоксического влияния почв с использованием сои (Glycine max. L. (Merill.) применяли метод прямого контакта с почвой. Для этого исследуемые почвы привозили в ящиках и высаживали в них смена, далее проводили анализ пятен, появляющихся на листьях проростков.
При работе с видами дикорастущей флоры использовали анафазно-телофазный метод. Для этого собирали семена с растений в загрязненной и чистой зонах, соответствующих друг другу по геоклиматическим характеристикам. Семена проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге, смоченной водопроводной водой, при температуре 25-260С в термостате. Проросшие корешки длиной 3-5 мм фиксировали в смеси этилового спирта и ледяной уксусной кислоты (3:1). Длительность фиксации не менее 2-3 ч. Материал окрашивали ацетокармином (2%-ный раствор кармина в 45% уксусной кислоте) при кипячении на водяной бане в течение 10-12 мин. Готовили временные давленые препараты из кончиков корней по общепринятой методике.
Определение содержания тяжелых металлов в природных объектах в Кабардино-Балкарской республике проводили методом АэмС (атомной эмиссионной спектроскопии) совместно с Высокогорным геофизическим институтом.
Математическую обработку результатов проводили с использованием компьютерной программы БИОСТАТ, программного обеспечения Microsoft Excel. Для определения достоверности выявленных различий использовали преобразование Фишера для сравнения долей (Лакин Г.Ф. 1990; Урбах В.Ю. 1963), однофакторный и двухфакторный дисперсионный анализ, критерий хи-квадрат и критерий Стьюдента (Рокицкий П.В. 1964).
Глава III. Описание района исследования.
Кабардино-Балкарская Республика расположена на северных склонах центральной части Большого Кавказа в бассейне левых притоков реки Терек. Общая площадь составляет 12,5 тыс. км2, из которых 5,5 тыс. км2 занято горными хребтами, расположенными параллельно друг другу в направлении с северо-запада на юго-восток.
Центральный Кавказ, включающий территорию Кабардино-Балкарии, в целом характеризуется континентальным умеренно теплым климатом с холодной зимой и жарким летом. По мере увеличения высоты над уровнем моря засушливый климат равнины переходит в бореальные климаты лесов и горных лугов. С увеличением высоты возрастает и количество осадков. Высокогорная часть изучаемых районов относится к избыточно влажному климату с умеренно теплым летом и умеренно мягкой зимой, среднегорная – к влажному климату с теплым летом и умеренно мягкой зимой.
В горно-степном поясе в пределах высот от 800 до 1200 м над у.м. в основном на продуктах выветривания карбонатных пород сформировались горные черноземы. Горный лесной пояс представлен в нижней части (высоты от 300-400 до 1000-1100 метров над у.м.) горными серыми лесными, в верхней (от 500-700 до 1200-1700 м) – горными бурыми лесными почвами. В высокогорье (интервал высот 1100-2000 м) представлены горно-луговые почвы (В.В. Разумов и др. 2003).
В данном исследовании проведена эколого-эпидемиологическая оценка территорий трех горных районов Кабардино-Балкарской Республики – Эльбрусского, Чегемского и Черекского. В Эльбрусском районе расположен Тырныаузский горно-обогатительный комбинат (ТГОК). Чегемский и Черекский районы взяты для сравнения в качестве чистой зоны. Районы сходны между собой по геоклиматическим характеристикам и этническому составу населения.
Тырныаузский горно-обогатительный комбинат введен в эксплуатацию в 1940 г. Комбинат к 90-м годам достиг производительности по добыче руды в 8 млн т. в год. В связи с изменением экономических условий в стране потребность в продукции комбината резко снизилась. Свертывание объемов производства горных работ и обогащения на ТГОК безусловно должно было отразиться положительно на техногенной нагрузке на окружающую среду. Однако, отсутствие средств на реконструкцию производства и падение технологической дисциплины, особенно в обогатительном производстве, привели к резкому ухудшению экологической обстановки в долине р. Баксан.
Первое (наиболее старое) хвостохранилище, расположенное в г. Тырныаузе ниже промплощадки комбината, и второе на 8-м километре автодороги в сторону пос. Былым, в настоящее время не эксплуатируются. Оба они имеют необходимую обваловку и до последнего времени не представляли опасности, если не считать пыления с поверхности второго накопителя в период сильных ветров. Однако в июле 2000 года, в связи с затоплением верхней части г. Тырныауза в результате селевой катастрофы, в старое хвостохранилище попали воды р. Баксан, которые вынесли из него накопленные в 50-60-е годы ХХ-го века отходы переработки руды, содержащие соли тяжелых металлов. Третье – самое крупное – хвостохранилище, расположенное ниже по долине реки в 12 км от г. Тырныауза, в месте впадения в реку Баксан реки Гижгит, было введено в эксплуатацию в 1967 г.
Карта Кабардино-Балкарской Республики. Районы исследования. (Атлас Кабардино-Балкарии)
В отвалах ТГОК накопилось 252771 тыс. т отходов, в действующем хвостохранилище обогатительной фабрики комбината площадью 170 га сосредоточено свыше 125 млн т отходов второго класса опасности, содержащих мышьяк, вольфрам, молибден и другие металлы (Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды в Кабардино-Балкарской республике в 1998г.; 1999 г.; 2000 г.; 2001 г.).
Система нейтрализации сточных вод, применяемая в технологическом процессе, позволяет существенно снизить содержание металлов в жидкой фазе пульпы, сбрасываемой в накопитель отходов. Однако состав пульпы способствует переходу вольфрама и молибдена в растворимые соединения, и они из хвостохранилища за счет процессов фильтрации и инфильтрации попадают в реку Баксан. В результате содержание этих металлов речной в воде значительно возрастает, и превышение предельно допустимых концентраций, несмотря на разбавление, наблюдается вплоть до нижнего течения реки (Атлас природно-техногенных опасностей Кабардино-Балкарской республики).
Содержание вольфрама ниже сбросов ТГОК колебалось от 5 до 51,5 ПДК, молибдена до 8 ПДК. Несмотря на то, что комбинат не работает с октября 2001 года, изменения качества сточных вод в лучшую сторону не наблюдается. Концентрации вольфрама и молибдена на данном участке реки Баксан увеличиваются, класс качества воды не изменился – остался шестой (очень грязная) (Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды в Кабардино-Балкарской республике в 2003 г.).
Особую опасность представляет токсичная пыль с пляжной части действующего хвостохранилища и вскрытой части законсервированного хвостохранилища, используемого в настоящее время под карьер инертных материалов. Общая площадь поверхности, подвергаемая ветровым процессам порождающим огромные тучи токсичной пыли, в общей сложности составляет порядка 25000 м2. Пыль оседает на территории г. Тырныауза, пос. Былым, в пойме р. Баксан с ее притоками и на склонах, используемых под естественные пастбища. Отмечено значительное увеличение концентрации молибдена в молоке, шерсти и экскрементах животных, что может только подтверждать факт передачи молибдена по трофической цепи. Серьезной проблемой является приуроченность ареалов сильного загрязнения к наиболее интенсивно используемым пастбищным угодьям, примыкающим к населенным пунктам (Справка в Кабинет Министров КБР по оценке влияния производственной деятельности Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината на окружающую природную среду).
Глава IV. Растительные тест-системы как чувствительный объект для обнаружения мутагенного потенциала тяжелых металлов
Работ по оценке генотоксического влияния органических веществ на растительные тест системы значительно больше по сравнению с исследованием влияния тяжелых металлов (ТМ). Поэтому наши исследования были начаты с определения пригодности растительных тест систем для выявления мутагенного потенциала именно тяжелых металлов. Нами были использованы три растительные тест-системы. Это хромосомные аберрации (ХА) у скерды зеленой (C. capillaris L.), мутации по окраске в системе волосков тычиночных нитей традесканции (Трад-ВТН) и индукция соматических мутаций на листьях сои (Glycine max. (L.) Merill) линии Т219. Были протестированы неорганические соединения восьми металлов с использованием этих тест-систем. Это – Ag, Cu, Cd, Cr, Hg, Mo, Pb, W. Часть из них высоко токсичны (Ag, Cu, Cr, Hg), некоторые являются известными канцерогенами (Cd, Cr и Pb), есть и необходимые для живых организмов в качестве микроэлементов (Cu, Mo), а Ag и W с точки зрения их мутагенных свойств были очень мало изучены.
C. capillaris. Уровень спонтанных мутаций колебался от 0,05 до 0,34%, т.е. был достаточно вариабельным. Это связано со сроками хранения используемых семян. Во всех случаях были использованы семена текущего года, т.е. срок хранения не превышал 1 года. Но и в течение одного года спонтанный уровень мутаций у семян C. capillaris увеличивается (Дубинина Л.Г.). В наших опытах по изучению мутагенного потенциала ТМ двукратное превышение относительно контроля было статистически не значимым. Размах статистически значимых отклонений колебался от 3,3 раза до 22,5 раза (табл. 1).
C. capillaris оказалась высоко чувствительной системой к тяжелым металлам, мутагенные концентрации были весьма низкими от 10-4М до 10-8М и только для вольфрама они составили 10-2М.
Таблица 1.
Влияние тяжелых металлов на C. capillaris L.
| Вариант | Концентрация (М) | Всего метафаз | В т.ч. с хромосомными мутациями | % | Р |
| Kонтроль | 3866 | 3 | 0,08 | ||
| AgNO3 | 10-6 | 2617 | 47 | 1,80 | 0,001 |
| Kонтроль | 1205 | 3 | 0,25 | ||
| Hg(NO3)2H2O | 10-5 | 692 | 0 | 0 | 0,05 |
| HgI2 | 3•10-6 | 904 | 12 | 1,38 | 0,01 |
| Контроль | _ | 1192 | 3 | 0,25 | _ |
| K2Cr2O7 | 10-8 | 1287 | 21 | 1,63 | 0,001 |
| Контроль | 1531 | 1 | 0,07 | ||
| Cd(NO3)2•2H2O | 10-5 | 1087 | 14 | 1,29 | 0,001 |
| Контроль | 1476 | 1 | 0,07 | ||
| PbI2 | 10-4 | 1841 | 11 | 0,60 | <0,01 |
| Контроль | _ | 1241 | 2 | 0,16 | _ |
| Na2MoO4.2H2O | 10-5 | 1205 | 9 | 0,75 | 0,05 |
| Контроль | _ | 1176 | 4 | 0,34 | _ |
| Na2WO4.2H2O | 10-2 | 986 | 11 | 1,12 | 0,05 |
| Контроль | 1490 | 4 | 0,27 | ||
| CuSO4 | 10-4 | 1380 | 2 | 0,14 | 0,05 |
| CuI | 10-5 | 1296 | 7 | 0,54 | 0,05 |
| Контроль | 2113 | 1 | 0,05 | ||
| ДЭС | 10-4 | 1619 | 1 | 0,06 | 0,05 |
Поскольку в литературе имеются данные о том, что более токсичные металлы обладают большим мутагенным потенциалом (Sharma A, Talukder G. 1987), мы провели сравнительный анализ результатов по токсичности и мутагенности изученных металлов, полученных для C. capillaris, и коэффициент корреляции составил r=0,61. Также мы провели сравнительный анализ между низшими мутагенными концентрациями и атомным весом исследованных металлов. Коэффициент корреляции составил r=0,35.
Трад-ВТН оказалась менее чувствительной к изучаемым тяжелым металлам. Действующие мутагенные концентрации были на порядок выше, чем для C. capillaris, причем у соединений ртути, кадмия и вольфрама не было обнаружено мутагенного влияния (табл. 2).
Меньшая чувствительность Трад-ВТН может быть связана с меньшей длительностью обработки (24 часа у Трад-ВТН и 42 часа у C. capillaris). Но, с другой стороны, у C. capillaris обрабатываются семена, покрытые плотной кожурой, а у Традесканции – соцветия.
Таблица 2.
Влияние тяжелых металлов на традесканцию (клона 02).
| Вариант | Концентрация (М) | Просмотрено ВТН | В т.ч. с мутациями | % | Р |
| Kонтроль | - | 36340 | 48 | 0,13 | |
| AgNO3 | 310-5 | 13490 | 50 | 0,37 | 0,001 |
| Контроль | _ | 20931 | 2 | 0,009 | |
| K2Cr2O7 | 10-5 | 21034 | 8 | 0,038 | 0,05 |
| Контроль | - | 24038 | 9 | 0,037 | |
| Hg(NO3)2H2O | 10-5 | 18508 | 11 | 0,059 | 0,05 |
| HgI2 | 10-5 | 10441 | 3 | 0,03 | 0,05 |
| Контроль | - | 7963 | 0 | 0 | |
| Cd(NO3)2•2H2O | 10-5 | 5405 | 0 | 0 | |
| Контроль | - | 10801 | 19 | 0,18 | |
| PbI2 | 1,510-3 | 10663 | 37 | 0,35 | 0,05 |
| Контроль | _ | 23811 | 4 | 0,017 | _ |
| Na2MoO4.2H2O | 10-2 | 17964 | 11 | 0,061 | 0,05 |
| Контроль | - | 21076 | 3 | 0,014 | |
| Na2WO4.2H2O | 10-1 | 18952 | 5 | 0,026 | 0,05 |
| Контроль | - | 24038 | 9 | 0,04 | |
| CuI | 10-5 | 19810 | 4 | 0,02 | 0,05 |
| Контроль | - | 49797 | 62 | 0,12 | |
| ДЭС | 10-3 | 14062 | 44 | 0,31 | 0,001 |
| Контроль | - | 44148 | 64 | 0,14 | |
| НММ | 510-3 | 18133 | 148 | 0,82 | 0,001 |
Спонтанный уровень мутаций в контролях системе Трад-ВТН также был весьма вариабельным от 0,009% до 0,18%. На такой недостаток данной тест системы, как изменчивость спонтанного уровня мутаций, указывали и авторы последних обзоров по исследованию генотоксичности почв и воды (P.A. White, L.D. Claxton 2004; Ohe et al. 2004).
Соя линии Т219. В нашем сравнительном исследовании только медь и вольфрам не проявили мутагенных свойств в данном тесте. Спонтанный уровень мутаций также оказался очень вариабельным от 0,154 до 0,966 пятен на лист (табл.3).
Таблица 3.
Влияние тяжелых металлов на сою линии Т219 (общие данные).
| Вариант | Концентрация(М) | Всхожесть % | Пятен на лист |
| Контроль | - | 33 | 0,616 |
| AgNO3 | 510-6 | 35 | 1,729 |
| Контроль | _ | 41 | 0,326 |
| K2Cr2O7 | 10-6 | 38 | 0,883 |
| Контроль | - | 27 | 0,154 |
| Hg(NO3)2H2O | 10-5 | 28 | 0,407 |
| Контроль | - | 52 | 0,761 |
| HgI2 | 10-5 | 35 | 1,620 |
| Контроль | - | 23,5 | 0,492 |
| Cd(NO3)2•2H2O | 10-4 | 41,5 | 1,193 |
| Контроль | - | 39 | 0,826 |
| PbI2 | 10-3 | 37 | 3,375 |
| Контроль | _ | 30 | 0,391 |
| Na2MoO4.2H2O | 10-2 | 29 | 0,857 |
| Контроль | _ | 36 | 0,307 |
| Na2WO4.2H2O | 10-1 | 44 | 0,459 |
| Контроль | - | 53 | 0,966 |
| CuI | 10-5 | 52 | 1,110 |
| Контроль | - | 32 | 1,948 |
| ДЭС | 10-3 | 49 | 3,957 |
| НММ | 210-3 | 37 | 20,282 |
Такие значительные различия также связаны со сроками хранения используемых семян. Кроме того, в данном случае на спонтанный уровень мутаций могут влиять и условия выращивания растений, т.к. растения на семена выращиваются в открытом грунте (как и в случае C. capillaris), а годы отличаются один от другого и температурой, и влажностью, и уровнем солнечной инсоляции.
Для сравнения результатов, полученных на трех тест системах, мы вычислили коэффициенты корреляции – r - отдельно для рядов токсичности и для рядов мутагенности, полученных для каждой тест-системы:
Токсичность
Ряды токсичности:
C.capillaris L.– Hg > Ag > Cr6+, Pb > Cd, Cu > Mo6+ > W6+;
Трад-ВТН - Hg, Ag > Cd > Cr6+ » Mo6+ > W6+, Pb.
Glycine max. (L.) Merill - Ag > Cr6+ > Hg > Pb > Cd, Cu, Mo6+, W6+ (в конце ряда мы поставили металлы, для которых токсические концентрации не были определены).
Коэффициенты корреляции:
C. capillaris L. и Трад-ВТН (клон 02) – r = 0,66;
C. capillaris L. и соя (Glycine max. (L.) Merill.) – r = 0,83;
Трад-ВТН (клон 02) и соя (Glycine max. (L.) Merill.) – r = 0,38.
Мутагенность
Ряды мутагенной активности:
C.capillaris L - Cr6+ » Ag > Hg > Cd, Mo6+ > Pb > W6+ > Cu;
Трад-ВТН – Cr6+, Ag > Pb > Mo6+ > Hg, Cd, W6+.
Glycine max. (L.) Merill Cr8+ > Ag > Hg > Cd > Pb > Mo6+ > Cu, W6+.
Коэффициенты корреляции:
C. capillaris L. и Трад-ВТН (клон 02) –r = 0,72;
C. capillaris L. и соя (Glycine max. (L.) Merill.) – r = 0,94;
Трад-ВТН (клон 02) и соя (Glycine max. (L.) Merill.) – r = 0,77.
Таким образом, данные по мутагенности, полученные на всех трех тест-системах прекрасно совпадают. Наилучшие корреляции у пары C. capillaris L и соя (Glycine max. (L.) Merill.). Для этой пары растительных тест систем имело место практически полное совпадение результатов и по токсичности (r=0,83), и по мутагенности (r=0,94).
Если говорить об удобстве использования и легкости в работе, то наиболее простой тест системой из всех является соя. Что касается чувствительности, то наиболее чувствительной оказалась скерда (C. capillaris L.) для которой токсичные и мутагенные концентрации тяжелых металлов и диэтилсульфата (ДЭС) были примерно на порядок ниже, чем для остальных тест-систем.
Исходя из результатов наших исследований можно с уверенностью сделать заключение, что все три растительные тест системы вполне пригодны для тестирования тяжелых металлов как на токсичность, так и на мутагенность и являются весьма чувствительными к такому типу загрязнителей, поскольку выявленные с их помощью действующие концентрации тяжелых металлов значительно ниже, чем мутагенные концентрации у супермутагенов (ДЭС и НММ).
Глава V.
Использование растительных тест систем для оценки генетического влияния отходов горно-обогатительного комбината.
После проверки пригодности трех растительных тест систем для определения мутагенного потенциала тяжелых металлов, мы использовали их для определения возможных мутагенных свойств отходов Тырныаузского горно-обогатительного комбината (ТГОК). ТГОК занимается разработкой вольфрамо-молибденового месторождения и обогащением добытой руды. Свои отходы комбинат в виде пульпы по пульпопроводу перекачивает в хвостохранилище, расположенное на берегу р. Баксан. В результате высыхания пульпы формируется хемозем, а на верху расположено озеро со свежей пульпой, которое частично сформировано также и водами р. Гижгид. Вода из озера фильтруется через всю толщу отвалов и в виде дренажных вод стекает в р.Баксан. В таблице 4 для сравнения приведены данные по содержанию тяжелых металлов в воде р. Баксан выше по течению от г. Тырныауза, в котором расположен ТГОК. Наиболее сильно повышено содержание молибдена, также повышено содержание меди и вольфрама, но медь в исследуемых тестах не являлась мутагеном, а вольфрам проявил мутагенные свойства только на одной тест-системе, да и то в высоких концентрациях – 10-2М (табл. 1-3).
Таблица 4.
Содержание тяжелых металлов в жидких стоках комбината.
| Вариант | Содержание тяжелых металлов мкг/л | |||
| Mo | Pb | Cu | Zn | |
| Дренажные воды | 15000-17000 | 2-3 | 55 | 7-16 |
| Пульпа | >>25 | 3 | 15 | 0 |
| Речная вода | 2-3 | 2 | 7 | 0 |
При использовании всех трех растительных тест систем для исследования мутагенной активности жидких стоков ТГОК оказалось, что они пригодны для этих целей. Данные, полученные на всех тест системах, хорошо совпадали. Жидкие отходы комбината оказались токсичными и обладали мутагенными свойствами.
Чтобы сравнить чувствительность всех трех растительных тест-систем к генотоксическому действию жидких стоков горно-обогатительного комбината, мы определили возрастание частоты индуцированных сточными водами мутаций относительно контроля для всех использованных тест-систем и для наглядности представили их в виде диаграммы (рис. 1).
Максимальный диапазон возрастания уровня мутаций (в 45 раз) был у традесканции (Трад-ВТН). На рисунке не представлены данные по влиянию пульпы на традесканцию, т.к. она оказалась очень токсичной для данного растения и все черенки погибли. Для сои это возрастание составило 2,3-2,7 раза; для C. capillaris – 5 раз.
Что касается удобства работы, то значительно легче работать с соей. Для работы с C. capillaris нужен более квалифицированный персонал, т.к. в данном случае используется метафазный метод. Что касается сроков, то все три тест-системы требуют примерно одинаковых затрат времени, т.е. проведение исследований занимает 20 – 25 дней.
Таким образом, все три растительные тест-системы, использовавшиеся нами для генетического мониторинга отходов промышленных предприятий цветной металлургии, выявили мутагенное влияние жидких стоков горно-обогатительного комбината.
Глава VI. Оптимальные методы оценки генотоксичности почв.
В мировой практике для исследования генотоксичности почв в основном использовались бактериальные и растительные тест-системы. Чаще всего проводилось тестирование с использованием почвенных вытяжек, хотя предпочтительнее использовать прямой контакт с почвой. Мы для этих целей использовали наиболее удобную на наш взгляд растительную тест-систему сою линии Т219. С использованием этой тест-системы была проведена оценка генотоксичности почв загрязненных тяжелыми металлами (отвалы горно-обогатительного комбината) и продуктами горения и кустарной переработки нефти (почвы из некоторых районов Чеченской республики).
Работы по определению генотоксического потенциала почв, загрязненных нефтепродуктами, были проведены нами с Джамбетовой П.М. (Джамбетова П.М. 2005; Джамбетова П. М., Реутова Н.В. 2006). В данном случае были протестированы почвы шести населенных пунктов с разным уровнем загрязнения. Источниками загрязнения были мини-заводы по переработке нефти и горевшие на протяжении многих лет нефтяные скважины. Содержание углеводородов в загрязненных почвах колебалось от 0,63 до 1,72% (в наиболее загрязненном пункте) по сравнению с 0,03% в условно чистой зоне. Имело место и увеличение содержания нефтепродуктов от 0,52% до 1,56% в загрязненных населенных пунктах (в условно-чистой зоне 0,02%). Самое большое превышение наблюдалось по бенз(а)пирену. В наиболее загрязненном населенном пункте его было в 61 раз больше, чем в чистой зоне (1,83мг/кг и 0,03мг/кг соответственно). В остальных загрязненных населенных пунктах это превышение колебалось от 2-х до 8 раз.
В исследованных почвах было повышено и содержание тяжелых металлов (Pb, Cd, Cr, Co, Mn) по сравнению с условно чистой зоной, но практически нигде ПДК превышено не было. Исключение составил только свинец, содержание которого во всех населенных пунктах несколько превышало ПДК, а в наиболее загрязненном населенном пункте имело место двукратное превышение по содержанию свинца по сравнению с ПДК и с контрольным районом.
Загрязнение почвы нефтепродуктами привело к снижению всхожести семян в 1,2 - 1,4 раза по сравнению с условно чистой зоной. Во всех загрязненных зонах общее количество пятен на лист возрастало в несколько раз, что свидетельствует о наличии мутагенного эффекта. Так, пятикратное увеличение общего числа пятен на листьях проростков загрязненных участков по сравнению с условно чистой зоной наблюдалось в наиболее загрязненном населенном пункте. В остальных населенных пунктах общее число пятен возрастало в 3,7-4,9 раза.
Поскольку каждый тип пятен обусловлен определенным типом мутаций, то анализ их соотношения позволяет судить о специфичности действия исследуемого мутагена. В данном случае не было отмечено увеличения числа какого-либо определенного типа пятен. Частота всех типов пятен на всех типах листьев возрастала примерно одинаково. Следовательно, никакой специфичности в мутагенном влиянии почв, загрязненных нефтепродуктами, не было. В данном случае имело место общее генотоксическое влияние, обусловленное и генными, и хромосомными мутациями.
Следует отметить хорошее совпадение полученных результатов с уровнем загрязнения почв бенз(а)пиреном и нефтепродуктами. Так наибольшее число всех типов соматических мутаций на листьях было характерно для растений, выращенных на почвах из наиболее загрязненного населенного пункта (Джамбетова П.М. 2004).
Эта же тест-система была использована и для тестирования почв, сильно загрязненных тяжелыми металлами (Биттуева М.М.2004). Это был хемозем с отвалов Тырныаузского горно-обогатительного комбината (ТГОК), который формируется после высыхания пульпы. В опытах семена проращивали в хемоземе и в смеси хемозема и чистой почвы.
Хемозем с отвалов горно-обогатительного комбината обладал генотоксическим влиянием и вызывал все типы мутаций – генные, хромосомные и митотический кроссинговер, поскольку наблюдалось увеличение всех типов пятен на всех типах листьев. Причем имел место дозо зависимый эффект – с увеличением количества хемозема увеличивалась и частота индуцированных соматических мутаций на листьях сои линии Т219.
Таким образом, растительная тест-система соя Glycine max. (L.) Merrill линии Т219 оказалась пригодной для тестирования почв, загрязненных как органическими (полициклические ароматические углеводороды и бенз(а)пирен), так и неорганическими (тяжелые металлы) веществами.
Поскольку мы использовали сою для оценки генотоксичности почв, загрязненных разными типами веществ, то было весьма интересным провести сравнительный анализ реакции этой тест-системы на тяжелые металлы и нефтезагрязнения.
На рис. 2 приведена сравнительная характеристика относительного возрастания различных типов пятен на разных типах листьев по сравнению с контролем. Как видно из рисунка, оба типа загрязнений обладали общим генотоксическим действием и вызывали как генные, так и хромосомные мутации. Генотоксическое влияние нефтезагрязнений было более выраженным.
Поскольку бактериальные тест-системы (тест Эймса) считаются стандартными, было проведено сравнительное тестирование тех же самых почв, загрязненных продуктами горения и кустарной переработки нефти с использованием теста Эймса (Джамбетова П.М. 2005; Джамбетова П.М., Реутова Н.В. 2006). Использовалась стандартная версия теста Эймса со штаммами ТА98 и ТА100 с метаболической активацией.
Из исследуемых образцов почв мутагенную активность показал только экстракт почвы из наиболее загрязненного населенного пункта, который индуцировал мутации у обоих штаммов в присутствии системы метаболической активации. В почвах данного населенного пункта содержалось максимальное количество бенз(а)пирена - 1,83 мг/кг. Во всех остальных (в том числе и загрязненных) населенных пунктах содержание этого вещества на порядок ниже. Следовательно, данная тест-система не обладала высокой чувствительностью к исследуемому типу загрязнителей среды.
Мы не использовали тест Эймса в случае загрязнения почв тяжелыми металлами, т.к. бактериальные тесты в основном не пригодны для их тестирования (P.A.White, L.D. Claxton 2004).
В случае загрязнения почв продуктами горения и переработки нефти тест Эймса оказался менее чувствительным по сравнению с соей. По всей видимости, это связано с целым рядом ограничений: вытяжки не обеспечивают полную экстракцию всех поллютантов, находящихся в почве; время экспозиции составляло всего 24 часа; на данной тест-системе нельзя обнаружить всего возможного спектра мутаций – а именно хромосомных, геномных и митотического кроссинговера.
Таким образом, использованная нами тест-система соя Glycine max.(L.) Merill линии Т 219 оказалась значительно более чувствительной по сравнению с тестом Эймса в случае загрязнения продуктами переработки нефти и более удобной в работе, так как мутагенное влияние обнаруживалось и в менее загрязненных населенных пунктах. Поэтому можно полагать, что для исследования генотоксичности почв предпочтительнее использовать растительные тест-системы, в частности сою - Glycine max.(L.) Merill линии Т 219.
Глава VII. Виды дикорастущей флоры как удобный объект для генетического мониторинга загрязнения окружающей среды.
Для проведения исследований по генотоксичности окружающей среды мы предпочтительно отбирали растения, принадлежащие к широко распространенным видам, такие как подорожник большой, одуванчик лекарственный и ряд других. Но в случае изучения генотоксического влияния отходов горно-обогатительного комбината были отобраны те растения, которые произрастали в данном высокогорном районе и имели созревшие семена на момент исследования (июль-август). Из растений, произраставших на отвалах ТГОК, был изучен уровень мутаций у костра кровельного (Anisantha tectorum); тонконога гребенчатого (Koeleria cristata); белены черной (Hyoscyanus niger); юринеи предкавказской (Yurinea ciscaucasica). Перечисленные растения принадлежат разным семействам: Злаковые, Сложноцветные и Пасленовые. Из них к широко распространенным видам принадлежала только белена черная.
В табл. 5 приведены данные по содержанию тяжелых металлов и уровню аберраций хромосом.
Таблица 5.
Содержание ТМ и уровень аберраций хромосом у видов дикорастущей флоры, произрастающих на отвалах ТГОК.
| Виды | Содержание т. м. мкг/кг. | Всего анафаз | В т.ч. с аберрац. | % аберраций | Р | |||
| Mo | Pb | Zn | Bi | |||||
| Юринея предкавк Чистая зона Отвалы | 0,1 11,5 | 0 1,2 | 0,7 2,1 | 0 0,2 | 976 1264 | 17 46 | 1,76 3,64 | <0,01 |
| Костер кровельный Чистая зона отвалы | 1,6 68,0 | <0,05 0,2 | 0,4 1,0 | 0 0 | 1024 1004 | 15 51 | 1,46 3,09 | <0,05 |
| Тонконог гребенч. Чистая зона Отвалы | 2,0 12,4 | 0,8 0,2 | 0,6 2,2 | 0 0 | 1043 1187 | 8 41 | 0,77 3,45 | <0,001 |
| Белена черн. Чистая зона отвалы | 0,4 32,1 | 0,4 10,1 | 1,9 39,8 | 0 4,6 | 270 322 | 3 9 | 1,10 2,79 | <0,05 |
У растений, произраставших на отвалах горно-обогатительного комбината (ТГОК), уровень мутаций в 2-4,5 раза превышал спонтанный. Наиболее чувствительным оказался тонконог гребенчатый, у этого растения в 4-5 раз возрастал уровень мутаций, хотя по содержанию молибдена он уступал другим видам растений, а по остальным металлам особых отличий не было. Преобладающим типом хромосомных аберраций у всех изученных растений были фрагменты, которые являются результатом делеций или отставших хромосом. «Мосты», которые возникают из-за появления дицентриков или из-за того, что один кинетохор прикреплен микротрубочками одновременно к двум противоположным полюсам веретена деления встречались в небольших количествах.
Следует отметить, что не все виды были одинаково удобными в работе объектами. Легче всего работать с представителями семейств Злаковые (Poaceae) и Сложноцветные (Asteraceae). Семена у них легко прорастают, корешки имеют небольшую толщину и из них легко готовить качественные давленые препараты. Сложно работать с семенами, имеющими плотную, толстую кожуру. Они плохо и очень медленно прорастают (например, семена белены черной).
Отвалы расположены на довольно большой высоте – около 1800м над уровнем моря. Единственным видом, произраставшим и на отвалах ТГОК, и на территории еще одного предприятия цветной металлургии - Нальчикского гидро-металлургического завода (НГМЗ) был одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.s.l), поэтому мы его использовали для сравнительного анализа генотоксичности отходов этих двух предприятий (табл. 6).
Таблица 6.
Уровень мутаций у одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Wigg.s.l).
| Вариант | Количество ана/телофаз | В т.ч. с хромосомными аберрациями | % | Р |
| Чистая зона | 1033 | 41 | З,97 | |
| г.Тырныауз | 1011 | 129 | 12,73 | 0,001 |
| Отвалы ТГОК | 1007 | 194 | 19,72 | 0,001 |
| Чистая зона | 1001 | 48 | 4,72 | |
| Отстойник НГМЗ | 1000 | 76 | 7,60 | 0,05 |
Спонтанный уровень мутаций у данного вида достаточно высок. Уровень хромосомных аберраций у растений, собранных в г. Тырныаузе в 3,2 раза превышал спонтанный, а у растений с отвалов это превышение еще больше – в 4,85 раза. Было установлено, что преобладающим типом хромосомных аберраций были фрагменты. «Мосты» встречались реже.
Дикорастущие растения также были использованы для генетического мониторинга и в случае загрязнения нефтепродуктами (Джамбетова П.М. 2004; Джамбетова П.М., Реутова Н.В. 2005; 2006а). В данном случае были отобраны те виды растений, которые встречались повсеместно: ромашка непахучая (Matricaria recutita L.), конский щавель (Rumex confertus Willd.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg. s.l.) подорожник большой (Plantago major L).
У Taraxacum officinale Wigg.s.l. уровень хромосомных аберраций в загрязненных зонах в 4,2 -5,3 раза превышал таковой в чистой зоне. Из всех типов повреждений наибольшее увеличение в 4,7 - 7 раз наблюдалось по «мостам».
У проростков Matricaria recutita L. уровень мутаций в загрязненных зонах в 5,4-7,5 раз превышал спонтанный. Наблюдалось увеличение всех типов повреждений хромосом: так число «мостов» и фрагментов повысилось в 5,2 и 6,4 раза.
У проростков Rumex confertus Willd из загрязненной зоны, уровень аберраций в 5,1-6,6 раза превышал таковой условно чистой зоны. Большинство аберраций наблюдаемых у конского щавеля, были фрагменты.
Уровень мутаций у Plantago major L. в различных загрязненных зонах неодинаков, в наиболее загрязненной зоне превышал таковой в условно чистой зоне в 10,2 раза.
Таким образом, у всех изученных видов растений было выявлено значительное превышение уровня мутаций в районах загрязнения по сравнению с условно чистой зоной. Самый высокий уровень хромосомных аберраций наблюдался у растений из окрестностей села, расположенного в наиболее загрязненной зоне. Следовательно наблюдалась прямая зависимость между степенью загрязнения нефтепродуктами, бенз(а)пиреном и уровнем мутаций у изучаемых видов растений.
В нашем исследовании одуванчик лекарственный был использован для определения генотоксичности почв загрязненных и тяжелыми металлами, и продуктами кустарной переработки нефти. Для сравнительного анализа действия этих разных типов загрязнителей мы приводим данные относительного (по сравнению с контролями) возрастания частоты мутаций и частоты разных типов анафазных аномалий (рис. 3).
На рисунке обозначение ЧР означает наиболее загрязненный район Чеченской республики (с. Долинск). На данной диаграмме приведено относительное возрастание уровня мутаций по сравнению с участками, выбранными в качестве чистой зоны.
Общее количество мутаций у проростков с отвалов ТГОК возрастало в 4,85 раза, частота фрагментов – в 4,6 раза, а частота «мостов» - в 6,7 раза. У проростков с отстойника НГМЗ в 1,6; 1,5 и 4,7 раза соответственно. А у проростков из населенного пункта Долинск – в 5,3; 4,9 и 7,0 раз. Таким образом, при воздействии разных типов загрязнений в большей степени возрастало количество «мостов», появление которых обусловлено сложными хромосомными перестройками. В случае влияния почв из Чеченской республики наблюдалось появление даже двойных мостов, чего не было в случае загрязнения тяжелыми металлами. Уровень возрастания частоты аномальных анафаз зависел от степени загрязнения, как в случае тяжелых металлов, так и в случае загрязнения углеводородами.
В наших исследованиях мы использовали 8 видов растений. Среди них и повсеместно произрастающие, и достаточно редкие. Все они оказались вполне пригодными для целей генетического мониторинга и чувствительными к разным типам загрязнителей. Следовательно, для определения генотоксического влияния окружающей среды можно использовать практически любые виды растений, произрастающих на данной территории.
Очень интересным является вопрос о влиянии выявляемых мутаций на морфологию растений и их продуктивность. В ряде наших работ (Джамбетова П.М. 2004; Джамбетова П.М., Реутова Н.В. и Ситников М.Н. 2005) были изучены морфологические параметры растений дикорастущей флоры, произраставших на территориях, в разной степени загрязненных нефтепродуктами. Оказалось, что во всех случаях высота растений в загрязненных зонах превышает высоту тех же видов в условно чистой зоне. Следовательно, в данном случае мы наблюдали стимулирующее влияние нефтезагрязнений на процессы роста растений. Причем, это влияние усиливалось с увеличением уровня загрязнений.
Однако, подобный тип загрязнений оказывал негативное влияние на репродуктивную функцию растений (количество цветков и семян). По всей видимости, в данном случае нарушаются процессы развития, связанные с закладкой бутонов, формированием цветков, гаметогенезом (поскольку уменьшается количество семян на одно соцветие). Таким образом, продукты кустарной переработки и горения нефти оказывают весьма противоречивое влияние на растения, стимулируют рост, но снижают фертильность и увеличивают частоту хромосомных нарушений в соматических клетках потомства этих растений.
Мы провели корреляционный анализ между уровнем мутаций и некоторыми морфологическими признаками растений и выявили очень интересные зависимости. У изученных видов наблюдалась прямая зависимость между уровнем хромосомных аберраций и высотой растений, у подорожника она на среднем уровне, а у остальных видов имеется высокая корреляция. Высокая отрицательная корреляция, существующая между уровнем хромосомных аберраций и количеством соцветий, количеством семян и их всхожестью говорит о том, что чем выше частота хромосомных нарушений, тем более угнетаются указанные признаки (табл. 7).
Таблица 7.
Коэффициент корреляции частоты хромосомных аберраций с морфологическими признаками растений.
| № | Вид | Коэффициент корреляции r уровня мутаций | |||
| С высотой растений | С количеством соцветий | С количеством семян | Со всхожестью семян | ||
| 1. | Одуванчик лекарственный | 0,88 | -0,95 | -0,98 | -0,94 |
| 2 | Ромашка непахучая | 0,76 | -0,88 | -0,95 | -0,91 |
| 3. | Щавель конский | 0,913 | -0,98 | -0,88 | -0,89 |
| 4. | Подорожник большой | 0,66 | -0,71 | -0,80 | -0,74 |
Было проведено исследование влияния и другого типа загрязнений, а именно тяжелых металлов, на морфологические признаки одуванчика лекарственного, произрастающего на территории отстойника гидро-металлургичесого завода (НГМЗ табл. 8).
Таблица 8.
Влияние жидких стоков НГМЗ на морфологические признаки одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Wigg.s.l).
.
| Вариант | Высота (см) | Р | Количество соцветий (шт). | Р | Количество семян на 1 соцветие (шт) | Р |
| Чистая зона | 26,6 ± 1,7 | 4,8 ± 0,4 | 174,9 ± 7,7 | |||
| Отстойник НГМЗ | 38,1 ± 2,2 | 0,000 | 5,6±0,8 | 0,3 | 135,7 ± 12,8 | 0,01 |
В случае такого типа загрязнений оказалось, что увеличение частоты мутаций, связанное с повышенным содержанием ТМ в почве, также вызвало увеличение высоты растений, в данном случае в 1,4 раза (различия достоверны). На количество соцветий данный тип загрязнения никакого влияния не оказал, т.к. выявленные различия не достоверны. Количество семян на одно соцветие уменьшилось и эти различия достоверны.
Конечно, интересно иметь индикаторные виды, которые обитают почти повсеместно, чтобы можно было проводить сравнительный анализ результатов. Таким видом, на наш взгляд, является одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.s.l). Одуванчик лекарственный оказался практически универсальным видом, т.к. цветущие и плодоносящие растения можно встретить на протяжении всего летнего периода, хотя массовое цветение идет в конце мая, начале июня. Его семена не имеют периода покоя, прорастают очень быстро и имеют высокую всхожесть. Корешки проростков имеют оптимальную толщину и из них легко готовить давленые препараты хорошего качества. Этот вид оказался чувствительным к разным видам загрязнений (тяжелые металлы, полициклические ароматические углеводороды). Наблюдалась и дозовая зависимость. Поэтому мы предлагаем использовать одуванчик лекарственный как стандартный вид для определения генотоксического влияния окружающей среды.
Интересным является и вопрос о генотоксическом влиянии загрязнителей окружающей среды на популяции видов, естественно обитающих на загрязненных территориях. В наших исследованиях по мутагенному влиянию твердых отходов горно-обогатительного комбината на виды дикорастущей флоры было обнаружено, что уровень мутаций у растений ряда видов, произрастающих на отвалах комбината в 2 - 4,85 раза выше, чем у растений чистой зоны.
Дамба изучавшегося хвостохранилища (отвалов) формировалась довольно своеобразно. Она насыпалась валунно-галечниковым аллювием с гравием и песком. Флотационные хвосты перекачивались в виде пульпы. В течение года создавалась одна терраса из двух ступеней. Таким образом, в настоящее время хвостохранилище состоит из 36 разновозрастных террас с растительным покровом, находящимся на разных стадиях формирования.
Геоботанические исследования на этих территориях проводились неоднократно целым рядом исследователей (Разумов В.В., Цепкова Н.Л. 1984; Фисун М.Н., Ахматова А.И. 1999; Шхагапсоев С.Х. 2000).
По данным Цепковой Н.Л. (2004, 2005, 2006) наилучшее задернение поверхности в настоящее время отмечено на нижних, то есть старовозрастных террасах (возраст 20-37 лет), где господствуют сообщества злаковополыннометельчатые и разнотравно-полыннометельчатые. Группу злаков представляют тонконог гребенчатый, овсяница овечья, пырей ползучий, щетинник зеленый и ряд других видов. Проективное покрытие составляет 45-60%. Из перечисленных здесь растений мы определяли уровень мутаций у тонконога гребенчатого, который был повышен в 4,5 раза.
На средневозрастных террасах (10-20 лет) встречались сообщества с низким проективным покрытием, образованные рудеральными растениями: разнотравнокровельнокостровые, злаково-рудерально-разнотравные и рудерально разнотравные. Среди этих видов растений мы определяли уровень мутаций у костра кровельного, который был повышен в 2,1 раза. На этих террасах так же отмечалось наличие тонконога гребенчатого. Следовательно, за прошедший период времени (10-20 лет) представители этого вида не исчезли, а проективное покрытие (конечно, не только этим видом растений) увеличилось.
На молодых террасах возраста от 1 до 5 лет произрастали лишь отдельные особи рудеральных и пионерных видов растений: мать-и-мачеха, кресс сорный, синяк обыкновенный, белена черная, одуванчик лекарственный и др. Из перечисленных растений мы определяли уровень мутаций у одуванчика лекарственного (был повышен в 4,85 раза) и белены черной (повышение в 2,5 раза). Эти виды уже не встречались на террасах более поздних возрастов, но это может быть связано с естественной экологической сукцессией, а не с исчезновением видов в связи с повышенным уровнем мутаций, хотя однозначный вывод вряд ли можно сделать. Из этих данных крайне трудно сделать заключение о том, как влияет повышенная частота мутаций на состав растительных сообществ, тем более, что засев территории отвалов постоянно идет и за счет ненарушенных участков, расположенных на соседних склонах.
Таким образом, виды дикорастущей флоры являются очень удобным объектом для генетического мониторинга т.к. дают возможность проводить исследования in situ; учитывается влияние всего комплекса факторов окружающей среды; они обладают высокой чувствительностью к различным типам загрязнений; не требуется наличия дорогостоящей материальной базы и высококвалифицированного персонала.
Глава VIII.
Анализ состояния здоровья взрослого населения в изучаемых районах.
В наших исследованиях с использованием трех растительных тест систем, было обнаружено, что жидкие и твердые отходы Тырныаузского горно-обогатительного комбината обладают мутагенными свойствами. Растения, произрастающие на отвалах и в г. Тырныаузе имеют повышенный уровень мутаций. Естественно, экстраполяция результатов, полученных на растениях, на человека некорректна. Поэтому был проведен анализ ряда показателей, отражающих состояние здоровья населения в районе расположения ТГОК с использованием статистических данных Министерства здравоохранения Кабардино-Балкарской республики и Республиканского центра планирования семьи и репродукции.
Комбинат расположен в Эльбрусском районе Кабардино-Балкарской Республики (КБР) в г. Тырныаузе на берегу р. Баксан. Для сравнения в качестве контроля были использованы данные по Чегемскому и Черекскому районам. Эти районы по высотности, природно-климатическим условиям и этническому составу населения сходны с Эльбрусским, собственно – это три параллельно расположенных ущелья. Также было проведено сравнение с показателями по республике (КБР) в целом.
В изученных районах и по республике в целом в период с 1995 по 2003 гг. наблюдалось снижение рождаемости. За рассматриваемый период рож даемость в загрязненном Эльбрусском районе и в республике в целом снизилась в 1,3 раза, в чистом Чегемском районе – в 1,9 раза, а в Черекском районе в 1,6 раза. Следует отметить, что рождаемость в Эльбрусском районе в течение всего анализируемого периода была несколько ниже даже обще республиканских показателей.
Показатели смертности в определенной степени могут отражать и негативное влияние окружающей среды. В исследуемых районах прослеживался незначительный рост смертности населения с некоторым снижением в 2003 году. В Эльбрусском районе и в КБР этот показатель вырос в 1,1 раза, а в Чегемском районе – в 1,3 раза.
На рис. 4 приведены данные по приросту населения за рассматриваемый период. Здесь четко просматривается тенденция падения прироста населения за 9 лет. Эльбрусский район первым в республике вышел на отрицательные показатели прироста населения.
Таким образом, загрязненный Эльбрусский район характеризуется вполне благополучными данными по показателям смертности населения, которые ни в коей мере не превышают ни данные по чистым Чегемскому и Черекскому районам, ни по республике в целом. Они были даже несколько ниже в целом за весь рассматриваемый период. А вот рождаемость была самой низкой в республике и даже ниже показателей по РФ и ЮФО. Так что низкий и даже отрицательный прирост населения в данном районе связан не с высокой смертностью, а с низкой рождаемостью.
Как общая заболеваемость, так и заболеваемость по ряду нозологий во всех изученных районах была либо ниже, либо соответствовала общереспубликанским значениям. Причем, для Эльбрусского и Чегемского районов это снижение по ряду заболеваний статистически значимо, а для Черекского подобная тенденция просматривается (табл. 9).
Таблица 9.
Средние данные по заболеваемости взрослого населения за 1995-2003 гг. (на 100000 населения).
| Заболевания | Чегемский район | Черекский район | Эльбрусский район | КБР | НСР0,05 |
| Заболеваемость | 26571,7 | 44951,9 | 40689,4 | 50045,7 | 8302,7 |
| Органы дыхания | 6225,8 | 9109,3 | 10993,8 | 9974,3 | 2622,9 |
| Система кровообращения | 4815,6 | 6455,7 | 2941,5 | 6452,6 | 1847,6 |
| Органы пищеварения | 2755,5 | 3673,2 | 2014,2 | 4568,2 | 1440,7 |
| Мочеполовая система | 4281,8 | 3687,4 | 3225,0 | 6384,7 | 1879,3 |
| Костно-мышечная система и соединительная ткань | 471,3 | 3265,3 | 3384,0 | 3091,2 | 1395,8 |
Если суммировать все эти результаты, то становится очевидным, что состояние здоровья населения во всех изученных районах в целом вполне соответствовало республиканским показателям, а по некоторым заболеваниям (болезни органов пищеварения и мочеполовой системы) даже лучше, чем по республике в целом. Как известно целый ряд мультифакториальных заболеваний связан с наследственной предрасположенностью, которая в разных популяциях будут различной. Это тем более следует учитывать, что численность балкарцев, населяющих данные районы, невелика, всего 70 тысяч.
Только по заболеваниям костно-мышечной системы и соединительной ткани загрязненный Эльбрусский район значимо отличался от чистого Чегемского, что можно объяснить особенностями загрязнения данного региона. Как известно, избыточное поступление молибдена в организм человека ведет к нарушению обмена пуриновых соединений, вследствие чего увеличивается образование мочевой кислоты. Она плохо растворяется в воде и, отлагаясь в тканях, вызывает так называемую молибденовую подагру (А.В. Авцын 1991).
Следовательно, при анализе влияния промышленных предприятий на население необходимо учитывать не только общий уровень заболеваемости, но и структуру заболеваний, которая может быть связаны с особенностями действия конкретных приоритетных загрязнителей. Во-вторых, при проведении подобного рода исследований необходимо учитывать особенности быта и питания местного населения, которые могут влиять на общую картину влияния промышленных предприятий на население региона.
Одним из показателей наличия мутагенного влияния загрязнителей окружающей среды является рост онкологических заболеваний. Но следует отметить, что не все мутагены являются канцерогенами. Поскольку мутагенное влияние отходов ТГОК мы обнаружили, то следующим этапом нашей работы был анализ частоты онкологических заболеваний в районе расположения вольфрамо-молибденового комбината.
В период с 1995 по 2002 гг. наблюдался рост числа больных злокачественными новообразованиями (ЗНО) во всех изученных районах. Так в Чегемском районе количество больных выросло с 640,2 до 857,1; в Черекском с 653,2 до 870; в Эльбрусском – с 460,7 до 835,2; в КБР – с 855,6 до 1072,3.
Если сравнивать между собой регионы, то и в чистых Чегемском и Черекском, и в загрязненном Эльбрусском количество больных с ЗНО несколько меньше, чем по республике в целом (табл.10).
Таблица 10.
Средние данные по заболеваемости ЗНО на 100000 населения за период 1996 – 2005 гг. (по локализациям).
| Район | КБР | Чегемский | Черекский | Эльбрусский | РФ |
| Заболеваемость (всего) | 212,9 | 173.8 | 186.1 | 158.6 | 298,8 |
| Губа | 3.8 | 5.0 | 3.8 | 3.7 | 3,8 |
| Полость рта | 4.9 | 4.2 | 5.2 | 2.9 | 5,9 |
| Пищевод | 1.9 | 2.4 | 3.0 | 2.7 | 5,45 |
| Желудок | 14.9 | 9.7 | 20.4 | 11.1 | 34,2 |
| Обод.кишка | 7.4 | 4.8 | 5.3 | 2.4 | 17,0 |
| Прям.кишка | 7.9 | 5.7 | 5.2 | 5.7 | 13,8 |
| Гортань | 3.4 | 2.8 | 1.4 | 2.3 | 5,2 |
| Легкое | 29.6 | 28.8 | 34.3 | 20.5 | 44,05 |
| Кости и м/т | 3.2 | 3.7 | 3.6 | 2.0 | 3,0 |
| Меланома кож. | 3.0 | 2.5 | 0.7 | 1.5 | 4,0 |
| Кожа | 34.5 | 19.8 | 29.3 | 25.7 | 31,1 |
| Мол. железа | 38.8 | 25.5 | 29.3 | 28.5 | 41,7 |
| Шейка матки | 12.2 | 10.0 | 10.2 | 11.4 | 11,85 |
| Тело матки | 9.6 | 6.2 | 3.2 | 7.4 | 12,8 |
| Яичники | 8.7 | 7.4 | 4.9 | 4.8 | 10,1 |
| Простата | 10.3 | 8.9 | 7.8 | 6.6 | 9,8 |
| Моч. пузырь | 6.0 | 4.3 | 6.9 | 6.2 | 7,9 |
| Щит.железа | 3.0 | 2.8 | 1.8 | 2.4 | 4,6 |
| Лимфомы | 5.8 | 5.8 | 6.5 | 5.6 | 7,1 |
| Лейкемии | 6.6 | 4.9 | 7.2 | 6.9 | 9,65 |
У населения, проживающего в районе расположения горно-обогатительного комбината, не было выявлено повышенной частоты онкологических заболеваний по сравнению с чистыми районами и республикой в целом. Это касается как общего числа заболеваний, так и заболеваемости по отдельным локализациям. Более того, даже просматривалась тенденция некоторого снижения частоты онкологических заболеваний в загрязненном Эльбрусском районе по сравнению с обще республиканскими показателями. Для новообразований в целом это снижение было даже статистически значимым.
Таким образом, загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами не привело к росту онкологических заболеваний у населения региона. Эти наши результаты вполне согласуются с литературными данными. Так P. Boffetta (2006) пришел к выводу, что из всех известных типов загрязнителей окружающей среды доказанное повышение частоты онкологических заболеваний у населения вызывают только асбест, радон и табачный дым. Для других загрязнителей окружающей среды, включая пестициды, диоксины и электромагнитные поля, связь с повышением риска канцерогенеза не доказана.
Другим возможным объяснением факта отсутствия свидетельств канцерогенного действия тяжелых металлов на население загрязненного Эльбрусского района может быть взаимодействие металлов между собой. Так известно, что цинк и медь снижают токсичность ряда металлов (и молибдена в том числе), а концентрации этих металлов изучаемом регионе так же повышены. И, кроме того, следует учитывать и этнические особенности населения, т.к. наследственная компонента в состоянии здоровья составляет 20,4%, что почти равно влиянию окружающей среды (19,9%).
Глава IX.
Частота заболеваний, обусловленных генетическими причинами в исследуемых районах.
Как отмечал Баранов В.С. (1999) неблагоприятное влияние вредных экологических факторов на геном человека приводит к увеличению генетического груза в популяциях. В понятие генетического груза входят, в том числе, и спонтанные аборты, мертворождения, врожденные пороки развития, моногенные и хромосомные синдромы. Поскольку нами было обнаружено, что отходы горно-обогатительного комбината обладают мутагенным влиянием и, следовательно, могут вызывать увеличение генетического груза у населения, проживающего на данной территории, мы провели анализ этих данных в изучаемых районах.
Проведенный анализ свидетельствует, что в районе расположения горно-обогатительного комбината (Эльбрусский район) имело место статистически значимое увеличение частоты спонтанных абортов (табл. 11).
Основной причиной спонтанных абортов являются мутации (Лазюк Г.И. 1991). По данным Н.П.Бочкова (2002) не менее чем в 50% случаев прерванных беременностей у плодов имеются либо врожденные пороки развития, либо наследственные болезни. Поскольку других факторов, которые могли бы быть причиной этого (например – влияние условий высокогорья, этнических особенностей населения) в сравниваемых районах не было, то остается предположить, что причиной повышенного уровня спонтанных абортов являлось влияние загрязнения окружающей среды в зоне расположения горно-обогатительного комбината.
Таблица 11.
Частота самопроизвольных абортов
(средние показатели за 2000-2006 гг.).
| Районы | На 100 родов | Р | На 1000 женщин фертильного возраста. | Р |
| Эльбрусский | 12,78 | <0,001 | 3,75 | <0,01 |
| Черекский | 6,69 | 2,76 | ||
| КБР | 5,70 | 2,84 |
Интересно отметить, что уровень мутаций у растений, растущих на отвалах комбината в 2 – 2,5 раза превышал таковой в чистой зоне. Частота мутаций у одуванчика лекарственного (Taraxacum officinale Wigg.s.l) растущего в г. Тырныаузе в 3,2 был выше, чем у растений чистой зоны. При оценке генотоксического влияния почв с отвалов ТГОК с использованием сои (Glycine max. (L.) Merrill) линии Т219 было обнаружено, что эти почвы вызывают возрастание уровня мутаций в 2,6 раза. Все эти цифры почти совпадают с превышением частоты спонтанных абортов в Эльбрусском районе по сравнению с чистым Черекским районом и республикой в целом.
Что касается врожденных пороков развития, то по их частоте в Эльбрусском районе статистически значимого превышения не наблюдалось. Базовая частота встречаемости врожденных пороков развития в России составляет от 10 до 30 на 1000 родов (Романенко О.П., Клюева С.К.2004). В КБР эта частота была ниже и составляла 8,6, в загрязненном Эльбрусском районе – 8,9 и в чистом Черекском районе - 4,1. Таким образом, загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами сопровождалось тенденцией к увеличению частоты врожденных пороков развития. А в целом по республике этот показатель значительно ниже, чем по России в целом.
Что касается частоты мертворождений и смертности детей в перинатальном периоде, то по этим показателям загрязненный Эльбрусский район не отличался от чистого Черекского района и республики в целом. По частоте выявленных наследственных заболеваний, обусловленных хромосомными аберрациями и доминантными мутациями, статистически значимых различий так же не было выявлено.
Нам показалось весьма интересным проанализировать соотношение полов новорожденных в изучаемых регионах. Известно, что генетический механизм определения пола у млекопитающих обеспечивает расщепление потомства по полу 1:1. У человека вторичное соотношение полов при рождении составляет 100 девочек на 106 мальчиков (А.В. Яблоков, А.Г. Юсупов. 1998). Мы приводим данные по всем трем районам за период 1996 – 2006 гг полученные в Федеральной службе государственной статистики по КБР (табл. 12).
Таблица 12.
Соотношение новорожденных по полу (мальчики : девочки) в изучаемых районах (данные КБРстат).
| Районы | Годы | |||||
| 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | 2001 | |
| Эльбрусский | 0,881 | 1,115 | 1,247 | 0,884 | 1,163 | 1,097 |
| Черекский | 0,939 | 1,075 | 1,087 | 1,080 | 1,061 | 1,246 |
| Чегемский | 1,207 | 1,073 | 0,960 | 1,091 | 1,251 | 1,020 |
| Районы | Годы | Среднее | ||||
| 2002 | 2003 | 2004 | 2005 | 2006 | ||
| Эльбрусский | 1,111 | 1,074 | 1,040 | 1,057 | 1,116 | 1,065±0,033 |
| Черекский | 1,179 | 1,203 | 1,067 | 0,884 | 1,181 | 1,091±0,033 |
| Чегемский | 0,972 | 1,025 | 1,179 | 1,151 | 1,211 | 1,104±0,031 |
Поскольку различия в соотношении полов новорожднных между изучаемыми районами статистически не значимы, то можно говорить только о тенденции к некоторому увеличению числа девочек относительно числа мальчиков в загрязненном Эльбрусском районе по сравнению с контрольными районами. Можно предположить, что это связано с преимущественной элиминацией плодов мужского пола и является следствием повышенного уровня спонтанных абортов в загрязненном Эльбрусском районе.
Заключение.
В данной работе мы изучили возможность применения трех растительных тест-систем для выявления генотоксического потенциала тяжелых металлов и провели сравнительный анализ их чувствительности. Все три тест-системы оказались вполне пригодными для этих целей. Данные, полученные на разных тест-системах, хорошо совпадали. На основании полученных результатов были составлены ряды токсичности и мутагенности изученных металлов, которые хорошо совпадали для разных тест-систем. Наиболее чувствительным тестом оказалась C. capillaris L. (хромосомные аберрации в клетках корневой меристемы).
Эти же три тест-системы были использованы и для оценки мутагенного потенциала жидких отходов предприятий цветной металлургии и также оказались вполне пригодными для этих целей. Наиболее удобной и простой в работе оказалась соя линии Т219. Именно эта тест-система была использована и для исследования генотоксичности почв с разными типами загрязнений (тяжелые металлы и продукты горения и кустарной переработки нефти). И для этих целей данная тест-система оказалась вполне пригодной и даже более чувствительной, чем тест Эймса в случае с нефтезагрязнениями.
Весьма многообещающими для целей генетического мониторинга загрязнения окружающей среды являются растения дикорастущей флоры. В наших исследованиях были использованы разные виды растений, как широко распространенные, так и более редкие. И в случае загрязнения тяжелыми металлами, и в случае нефтезагрязнений частота аномальных анафаз возрастала пропорционально уровню загрязнений. Таким образом, эта очень простая методика является практически универсальной для генетического мониторинга in situ. Из всех использованных нами видов растений можно рекомендовать для генетического мониторинга одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.s.l).
Весьма интересным и совершенно не исследованным является вопрос о том, как влияет повышенный уровень мутаций на растения. В случае нефтезагрязнений он вызывал увеличение высоты растений и снижение фертильности. Уменьшалось число соцветий и семян, а также всхожесть.
В случае воздействия тяжелых металлов с повышением частоты мутаций также увеличивалась высота растений и снижалось количество семян на одно соцветие, т.е. имела место такая же зависимость, как и в случае нефтезагрязнений.
Также совершенно не исследованным является и вопрос о влиянии повышенного уровня мутаций на растительные сообщества. В связи с особенностями формирования отвалов горно-обогатительного комбината была использована возможность сопоставить уровень мутаций и наличие ряда растений в разновозрастных растительных сообществах. В сообществах старшего возраста (более 10 лет) отсутствовали растения, которые первыми заселяли террасы. Это одуванчик лекарственный (уровень мутаций повышен в 4,85 раза по сравнению с чистой зоной) и белена черная (Hyoscyanus niger) (уровень мутаций повышен в 2,5 раза). С другой стороны, на средневозрастных (10-20 лет) и старовозрастных (20-37 лет) террасах росли тонконог гребенчатый (Koeleria cristata) и костер кровельный (Anisantha tectorum) у которых уровень мутаций был также повышен в два и более раза. Следовательно, эти виды за прошедший период времени не исчезли из сообществ. Поэтому на имеющемся материале на данный момент невозможно сделать однозначный вывод о том, с чем связано исчезновение пионерных видов - с повышенным уровнем мутаций или просто с закономерностями восстановительной сукцессии.
Еще одним вопросом, широко обсуждаемым в настоящее время, является проблема влияния выявленной генотоксичности, а также уровня загрязнения компонентов окружающей среды, на здоровье населения. В данном исследовании были проанализированы рождаемость и смертность, заболеваемость, как общая, так и по отдельным нозологиям, частота онкологических заболеваний (в том числе и по локализациям) взрослого населения, частота спонтанных абортов, частота рождения детей с врожденными пороками развития (ВПР), частота мертворождений и детской смертности в первые 24 часа жизни, и частота ряда наследственных заболеваний, а также соотношение полов новорожденных в районе расположения горно-обогатительного комбината и в чистых контрольных районах (Черекском и Чегемском) соответствующих ему по геоклиматическим особенностям и этническому составу населения. В результате сравнительного анализа было выявлено, что из всех перечисленных заболеваний в загрязненном Эльбрусском районе увеличена только частота спонтанных абортов. Этот район так же характеризовался низкой рождаемостью.
Таким образом, высокий уровень загрязнения почв, речной воды, атмосферного воздуха и растений тяжелыми металлами в районе расположения горно-обогатительного комбината не привел к росту смертности, заболеваемости, частоты онкологических заболеваний и рождению детей с ВПР и наследственными заболеваниями. Имело место только возрастание частоты спонтанных абортов. По литературным данным они в основном обусловлены мутациями.
Следовательно, результаты, полученные на растительных тест-системах и видах дикорастущей флоры, имеют прогностическую ценность для оценки возможного ущерба здоровью населения. Поэтому их вполне можно рекомендовать для первого этапа мониторинга генетической безопасности окружающей среды. Для этих целей предлагается использовать сою (Glycine max (L.) Merill) линии Т219 из растительных тест-систем, и растения дикорастущей флоры. Из растений дикорастущей флоры можно рекомендовать одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.s.l).
В результате проведенных исследований мы пришли к следующим выводам:
Выводы.
- В сравнительном аспекте три использованные растительные тест-системы (C. capillaris L,традесканция клона 02 и Glycine max. (L.) Merill. линии Т219), чувствительные к токсическому и мутагенному действию тяжелых металлов, позволяют выявить генотоксический потенциал жидких отходов металлургических предприятий.
- Предлагаемая методика использования растительной тест-системы сои (Glycine max. (L.) Merill) линии Т219 для определения генотоксического влияния окружающей среды является наиболее приемлемой и позволяет выявить генотоксический эффект как органических (продукты горения и переработки нефти), так и неорганических (тяжелые металлы) загрязнителей окружающей среды.
- Из широкого круга использованных нами видов дикорастущей флоры одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg.s.l) является наиболее чувствительным и экономически выгодным объектом для целей генетического мониторинга. Генотоксическое влияние проявляется в ряде фенотипических изменений: высокий рост растений, наблюдаемый в регионах с высоким уровнем загрязнения, сочетающийся с пониженной репродуктивной функцией растений (снижение количества соцветий и семян).
- Предложенная методика определения генотоксического влияния окружающей среды с использованием растительной тест-системы сои (Glycine max. (L.) Merill) линии Т219 и видов дикорастущей флоры является достаточно чувствительной к разным типам загрязнений и оптимальной для целей генетического мониторинга.
- Анализ общего уровня заболеваемости в районе расположения горно-обогатительного комбината на протяжении 9-летнего периода по сравнению с контрольными регионами не выявил повышения заболеваемости в целом. Однако установлен повышенный уровень частоты заболеваемости костно-мышечной системы и соединительной ткани у населения загрязненных регионов. Высказана гипотеза, что эта патология связана с особенностями загрязнения, а именно – с повышенным содержанием молибдена в воде, который вызывает нарушения пуринового обмена в живых организмах.
- У населения в районе расположения горно-обогатительного комбината за 10-летний период не выявлено повышения частоты онкологических заболеваний, врожденных пороков развития и ряда наследственных заболеваний. Общие показатели смертности населения в исследуемом районе не превышены. Вместе с тем, наблюдается четкая тенденция к повышению частоты спонтанных абортов, что является одним из признаков генетического неблагополучия.
- Обнаружение генотоксического эффекта на ряде чувствительных растительных тест-систем и видов дикорастущей флоры по совокупности исследуемых признаков (фенотипические и цитогенетические изменения) в районе расположения горно-обогатительного комбината по сравнению с контрольными регионами имеет определенную прогностическую ценность для оценки возможного ущерба здоровью населения.
Список основных трудов, опубликованных по теме диссертации.
- Таова В.И., Реутова Н.В. К вопросу о влиянии серебра на целлюлозолитическую активность почвы. // В кн.: Высокогорные экосистемы под воздействием человека. Труды ВГИ. Вып. 71. 1988. М. Гидрометеоиздат. С. 105-110.
- Таова В.И., Реутова Н.В. Влияние серебра на нитрификационную способность почвы. // В кн.: Высокогорные экосистемы под воздействием человека. Труды ВГИ. Вып. 79. 1990. М. Гидрометеоиздат. С. 110-116.
- Реутова Т.В., Масловская Е.Н., Реутова Н.В., Воробьева Т.И., Гущина Л.П., Таова В.И. Некоторые результаты исследования загрязнения природных объектов тяжелыми металлами на Северном Кавказе. // В кн.: Высокогорные экосистемы под воздействием человека. Труды ВГИ. Вып. 71. 1988. М. Гидрометеоиздат. С. 15-23.
- Реутова Н.В., Шевченко В.А. Мутагенное влияние солей серебра и свинца. // Тез. докл. Всесоюзного координационного совещания по мутагенам окружающей среды. Москва – Самарканд. 1990. С. 154-155.
- Реутова Н.В., Шевченко В.А. О мутагенном влиянии двух различных соединения свинца. // Генетика. 1991. Т.27. № 7. С.1275-1278.
- Реутова Н.В., Шевченко В.А. Серебро как возможный мутаген. // Генетика. 1991. Т. 27. №7. С.1280-1284.
- Реутова Н.В., Шевченко В.А. Мутагенное действие неорганических соединений серебра и свинца на традесканцию. // Генетика.1992. Т.28. №9. С.89-96.
- Реутова Н.В. Мутагенное влияние иодидов и нитратов серебра и свинца. // Генетика. 1993. Т.29. № 6. С. 928-934.
- Реутова Н.В., Косухина Н.А. К вопросу о генетической безопасности сточных вод Нальчикского гидрометаллургического завода. // В кн.: Экологические проблемы г. Нальчика. Нальчик. КБО РЭА. 1998. с. 114-117.
- Гогуа М.Л., Керефова М.К., Реутова Н.В. Исследование генотоксического потенциала вольфрамата натрия на традесканции клона 02. //В кн. Актуальные вопросы биологии и медицины. Нальчик. 1999. С. 33-34.
- Волкова Н.С., Реутова Н.В. Молибден как возможная причина повышения спонтанного уровня мутаций у растений с отвалов Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината. VII чтения им. В.И. Вернадского. Москва. Апрель 2000 г.
- Барашева А.А., Реутова Н.В. Хвостохранилища Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината как объект генетической опасности. (http://vernadsky.dnttm.ru/raboty2001/e6/w01216.htm).
- Реутова Н.В. Изучение мутагенного потенциала соединений меди и модификация эффектов иодистым серебром. // Генетика. 2001. Т. 37. №5. С. 617-623.
- Воробьева Т.И., Гущина Л.П., Жинжакова Л.З., Реутова Н.В., Цепкова Н.Л., Черняк М.М. Исследование химическими и биологическими методами эффектов долговременного воздействия промышленных отходов на горные экосистемы на примере Тырныаузского вольфрамо-молибденового комбината.//В кн. Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий. Краснодар. 2004. С. 269-272.
- Реутова Т.В., Реутова Н.В., Цепкова Н.Л. Сравнительная характеристика посттехногенного и фонового ландшафтов в районе Северной депрессии Центрального Кавказа. // Материалы международной конференции «Устойчивое развитие горных территорий: проблемы и перспективы интеграции науки и образования» Владикавказ. 2004. С. 262-264.
- Реутова Н.В., Воробьева Т.И., Реутова Т.В. Некоторые подходы к оценке мутагенного влияния отходов промышленных предприятий на окружающую среду. // Генетика. 2005. Т. 41. № 6.С. 1-5.
- Reutova N.V., Vorobyeva T.I., Reutova T.V. Some Approaches to Evaluation of the Mutagenic Effect of Industrial Waste on the Environment. // Russian Journal of Genetics. 2005. Vol. 41, № 6 P. 608 - 612
- Реутова Н.В., Елканова З.З., Воробьева Т.И., Реутова Т.В. Оценка генетического влияния вольфрамо-молибденового комбината. // Медицинская генетика. 2005. № 6. С. 258.
- Джамбетова П.М., Реутова Н.В., Ситников М.Н. Влияние нефтезагрязнений на морфологические и цитогенетические характеристики растений. // Экологическая генетика. 2005. Т.III. Вып. 4. С. 5-11.
- Джамбетова П. М., Реутова Н.В. Чувствительность растительных и бактериальных тест систем при определении мутагенного влияния нефтезагрязнений на окружающую среду. //Экологическая генетика. 2006.Т.VI. № 1. С. 22-27.
- Reutova N.V., Dzambetova P.M. Optimal test-systems for the first stage of the genetic monitoring of the environmental pollution. // European Jornal of Natural History. 2006. № 3. P. 120.
- Реутова Н.В., Джамбетова П.М. Одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg. S.l.) как удобный объект для генетического мониторинга загрязнения окружающей среды. // Экологическая генетика. 2006. Т.VI. № 3. С. 3-6.
- Реутова Н.В., Воробьева Т.И., Реутова Т.В., Тумова А.М. Анализ заболеваемости населения в районе расположения вольфрамомолибденового комбината. //Гигиена и санитария. 2007. № 4. С. 13-15.
