Цитогенетическое исследование вод малых рек урбанизированных территорий (на примере г.Вологды)

Cytogenetic research of waters of the small rivers of the urbanized territories (on the example of Vologda)

Galina Tikhanovskaya

candidate of biological sciences, associate professor Vologda State University, Russia, Vologda

Yulia Mashikhina

undergraduate, Vologda State University, Russia, Vologda

Аннотация. Реки урбанизированных территорий постоянно испытывают высокую антропогенную нагрузку. В черте города Вологды наиболее загрязненными малыми реками является реки Шограш и Содема. В работе дана комплексная оценка экологического состояния рек Шограш и Содема на основе данных физико-химического анализа и результатов биотестирования.

Abstract. The rivers of the urbanized territories constantly experience high anthropogenous strain. Within the city of Vologda the most polluted small rivers is the river Shogrash and Sodema. In work a complex assessment of an ecological condition of the rivers Shogrash and Sodema on the basis of the yielded physical and chemical analysis and results of biotesting is given.

Ключевые слова: биотестирование; физико-химический анализ; Шограш, Содема; токсичность.

Keywords: biotesting; physico-chemical analysis; Shogrash; Sodema; toxicity.

В условиях роста техногенной нагрузки на окружающую среду все более актуальными становятся вопросы её благополучия. Появление новых поллютантов, а также синтез новых соединений приводят к тому, что ПДК и ПДУ не могу служить абсолютными показателями экологического благополучия исследуемых объектов [1]. Кроме того, некоторые вещества, попадающие в водоемы, при совместном присутствии проявляют совершенно новые качества, которые не могут быть определены только химическим путем. Также вещества, не проявляющие токсического эффекта, могут быть генотоксичными и вызывать нежелательные эффекты в ряду последующих поколений. Поэтому, методы биотестирования во многих случаях являются безальтернативными. Малые водоемы и водотоки России особенно сильно подвергаются антропогенному воздействию. Ксенобиотики и поллютанты в результате сброса сточных вод, не прошедших очистки, смыва с поверхности водосбора биологически активных веществ в виде пестицидов, гербицидов, концентратов удобрений, нефтепродуктов и т.д. попадают в водные объекты. Процессы самоочищения малых водоемов и водотоков не справляются с антропогенной нагрузкой, что приводит к уменьшению концентрации растворенного кислорода, смене аэробных процессов на анаэробные. Это в конечном итоге может привести к гибели автохтонного населения водоема и непоправимому ущербу экосистеме. Для более полной оценки состояния водоема необходимы интегральные методы контроля, которые могут дать реальную картину для принятия мер по снижению антропогенной нагрузки [3].

Целью исследования явилась цитогенетическая оценка состояния малых рек, протекающих в черте г. Вологды – р. Шограш и р. Содема.

Цитогенетические исследования осуществлялись с применением Allium – теста, одного из широко используемых токсико-генетических методов. Allium сера хорошо изучен генетически, имеет 16 (2n=16) удобных для анализа хромосом. Тест системой служила корневая меристема Allium сера. Тест – откликом (тест-реакцией) являлись изменения клеток колеоптилей корешков Allium сера, выросших в определенной среде (вода изучаемых рек). Качественным выражением тест-реакции, т.е. тест параметрами, были выбраны аномалии хода митоза в клетках корневой меристемы: митотический индекс (МI, ‰), как показатель пролиферационной активности клеток; частота и спектр хромосомных аберраций (ХА, %), как показатель мутагенности стресс-фактора; профазный (ПИ, %), метафазный (МИ, %) и анателофазный (А – ТИ,%) индексы, являющиеся показателем длительности каждой фазы митоза. Клетки на временных давленных препаратах, окрашенных 2% ацетоорсеином анализировалась на наличие нарушений (фрагменты, мосты, отставшие хромосомы) [2].

Результаты исследований

Митотический индекс у опытных образцов отличается как в большую, так и в меньшую сторону (рисунки 1, 2). Митотический индекс это отношение числа клеток, находящихся в фазе деления к общему числу клеток (МI, %). Таким образом, определив МI можно сделать вывод о тормозящем действии стресс-фактора и о митозстимулирующем его действием.  В том и другом случае речь идет о наличии потенциальных инотоксикантов, присутствующих в водоеме. Если митотический индекс меньше, чем на контроле это значит, что имеет место митотоксический фактор. Это может происходить из-за тормозящего действия стресс фактора на синтетический период (S) интерфазы митоза. Возможно действие на белки-ферменты (ДНК-полимераза) или на сам процесс репликации ДНК. Также возможно действие фактора на клеточный центр, принимающий активное участие в клеточном делении. В этом случае тест-отклик будет заключаться не только в понижении митотического действия, но и в формировании многополюсных метафазных пластинок, что также встречается в нашем исследовании. Хотя интерфазные ядра считаются покоящимися, именно в интерфазе протекают интенсивные обменные синтетические процессы, и, следовательно, все нарушения в клетке, произошедшие в интерфазе мы наблюдаем в качестве тест-отклика объекта в последующих фазах клеточного цикла. Увеличение митотического индекса по отношению к контролю можно объяснить как стимулирующим влиянием стресс-фактора, так и изменением скорости протекания отдельных фаз митоза. Для подтверждения этого предположения определяли фазные индексы, т.е. относительную длительность каждой фазы митоза.

Рисунок 1. Митотический индекс и частота хромосомных аберраций, индуцированных водой реки Шограш (февраль 2016 г.): №1 – ул. Конева (спальный район); №2 – ул. Козленская (район АЗС); №3 – ул. Советский проспект (автомобильный мост); №4 – ул. Турундаевская (промышленная зона);* - различие с контролем статистически значимо при p<0,005; *** - различие с контролем статистически значимо при p<0,001

Приведенные результаты (рисунок 1, 2) показывают снижение митотической активности в пунктах ул. Петина (после промышленной зоны), ул. Мира (центр города), устье р. Содема (центральная набережная) при одновременном увеличении частоты хромосомных аберраций от 1,55 % на контроле до 6,43 % в пункте ул. Петина (после промышленной зоны) и до 6,04 % в пункте на ул. Мира (центр города). В целом, в пунктах ул. Козленская (район АЗС), ул. Конева (спальный район), ул. Костромская (спальный район), ул. Ярославская (до промышленной зоны), ул. Петина (после промышленной зоны), ул. Мира (центр города), устье Содемы (центральная набережная) частота митозов возрастает в 2-4 раза, что говорит о положительной (увеличивающейся) реакции тест-объекта на воздействие стресс-фактора присутствующего в данных пробах. Что касается качественной стороны, то это хромосомные и хроматидные мосты - аномалии метафаз, проникающих с выбросом хромосом или их групп за пределы веретена деления.

Рисунок 2. Митотический индекс и частота хромосомных аберраций, индуцированных водой реки Содема (февраль 2016 г.): №1 - ул. Костромская (спальный район); №2 - ул. Ярославская (до промышленной зоны); №3 - ул. Петина (после промышленной зоны); №4 - ул. Мира (центр города); №5 - устье р. Содема (центральная набережная); * - различие с контролем статистически значимо при p<0,005; ** - различие с контролем статистически значимо при p<0,01; *** - различие с контролем статистически значимо при p<0,001.

Таблица 1.

Соотношение фаз митоза в меристеме AlliumCepa при воздействии воды р. Шограш в г. Вологда, февраль 2016 г., %

Анализ относительной длительности фаз митоза позволяет отметить, что в пунктах отбора ул. Советский проспект (автомобильный мост) и ул. Турундаевская (промышленная зона) наблюдается снижение пролиферативной активности засчет задержки на стадии профазы (таблица 1). Причинами замедления прохождения профазы могут быть изменения надмолекулярной структуры ДНК, повреждение кариолеммы.

Анализ относительной длительности фаз митоза позволяет отметить, что в пунктах отбора ул. Костромская (спальный район), ул. Петина (после промышленной зоны), ул. Мира (центр города) и устье реки Содема (центральная набережная) наблюдается увеличение пролиферативной активности за счёт ускорения прохождения клетками стадии профазы (таблица 2). Причиной могут быть процессы, происходящие в клетке на стадии интерфазы при подготовке клеток к делению. В пункте отбора ул. Ярославская (до промышленной зоны) наблюдается снижение пролиферативной активности засчет задержки на стадии профазы (таблица 2).

Таблица 2.

Соотношение фаз митоза в меристеме AlliumCepa при воздействии воды р. Содема в г.Вологда, февраль 2016 г., %

Примечание:

* - различие с контролем статистически значимо при p<0,005;

** - различие с контролем статистически значимо при p<0,01;

*** - различие с контролем статистически значимо при p<0,001.

Все вышесказанное позволяет сделать следующие выводы:

- анализ хода митоза на клетках корневой меристемы Allium сера является интегральным тестом на состояние водных систем;

- малые реки северо-запада России на урбанизированных территориях несут на себе стресс-нагрузку в виде присутствия потенциальных генотоксикантов.