ЭКОЛОГИЯ, 2004, № 4, с. 279-283
УДК 547.632:547.992.3
ОЦЕНКА ГЕНОТОКСИЧНОСТИ ЛИГНИННЫХ ВЕЩЕСТВ КАК ФАКТОРОВ РИСКА ДЛЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ
© 2004 г. Ю. Н. Яковлева*, Р. М. Островская*, Л. Н. Новикова**
*Иркутский государственный университет 664003 Иркутск, ул. Сухэ-Батора, 5 **Иркутская государственная сельскохозяйственная академия 664038 Иркутск, пос. Молодежный Поступила в редакцию 28.12.2002 г.
Изучена генотоксичность лигнинных веществ (ЛВ), выделенных из биологически очищенных сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной промышленности. В экспериментах на байкальских эндемичных моллюсках и кукурузе установлены как токсичность, так и мутагенная активность исследованных ЛВ, степень которых зависит от физико-химических характеристик ЛВ, а также от объекта исследования и условий эксперимента. Полученные результаты свидетельствуют о возможной генетической опасности ЛВ для экосистем водоемов, в которые они непосредственно сбрасываются.
Ключевые слова: лигнинные вещества, генотоксичность, фитотоксичность, хромосомные аберрации, моллюски, кукуруза.
Одной из актуальных проблем современности является ухудшение экологической обстановки в районах сброса сточных вод различных предприятий. Особенно это касается целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП), со сточными водами которой, несмотря на все существующие методы очистки, в водоемы поступают поллютанты, способные наносить серьезный ущерб природным экосистемам. Наибольшую опасность представляют вещества, обладающие мутагенной активностью, негативное действие которых может сказываться не только на ныне живущих поколениях, но и иметь отдаленные эффекты (Дубинин, Пашин, 1978).
Около 25% всех мутагенных соединений, образующихся при переработке древесины, растворимы в воде (В^гвеШ й а1., 1979). Растворимые в воде лигнины - лигнинные вещества (ЛВ) - составляют более 30% от суммарного содержания органических веществ сточных вод ЦБП и представляют собой смесь полифункциональных соединений, которая может быть разделена на две группы по молекулярной массе и способности растворяться в воде при рН < 3: к одной из них относятся нерастворимые ЛВ с Mw до 30000, которые по составу и свойствам близки к сульфатному лигнину, а к другой - растворимые в воде с Mw до 7500, близкие к полиоксикислотам. Токсическое действие ЛВ установлено на ряде таких тест-объектов, как дафнии, рыбы, водные растения (Новикова и др., 1994а). Цитогенетическая активность различных ЛВ выявлена в экспериментах
на белых крысах (Коршунова, 1990), байкальских эндемичных моллюсках и растениях (Новикова и др., 19946; Островская и др., 1998), однако имеющихся данных о мутагенности ЛВ недостаточно.
В задачи настоящей работы входило изучение генотоксичности ЛВ, выделенных из сточных вод предприятий ЦБП после биологической очистки. Именно в таком виде они поступают в водоемы и вследствие этого могут быть факторами риска для гидробионтов и водных сообществ, в том числе для экосистемы оз. Байкал.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Исследовали растворимые в воде при рН < 3 ЛВ, выделенные сорбционным методом (Новикова и др., 1994а) из биологически очищенных сточных вод Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (БЦБК - образец 1) - и целлюлозного завода № 1 Братского лесопромышленного комплекса (Ц31 БЛПК - образец 2). Для сравнения исследовали также ЛВ БЦБК, нерастворимые в воде при рН < 3 (образец 3) и две фракции растворимых в воде при рН < 3, но различающихся по ги-дрофобности: одна из них (образец 4) нерастворима в бутаноле, а другая (образец 5), более гидрофобная, растворима в смеси бутанол-бензол (1 : 5.33). Характеристики изученных образцов ЛВ приведены в табл. 1.
Одним из объектов исследования были байкальские эндемичные моллюски Бепей1сйа Ьа-1са1ет1з - представители экологически важной
Таблица 1. Основные характеристики исследуемых образцов лигнинных веществ
Показатели Образцы ЛВ
1 2 3 4 5
Молекулярная масса 3500 4290 27800 3270 1520
Зольность 18.23 12.83 5.14 27.83 15.70
Элементный состав, % на
обеззоленное вещество:
С 48.95 49.02 54.22 24.04 22.29
Н 8.11 8.47 7.55 10.72 9.10
N 1.70 8.49 4.83 9.20 5.97
Б 3.97 3.37 3.18 5.22 6.09
С1 5.49 4.59 9.49 16.20 16.93
О 31.85 26.06 20.74 34.61 39.63
Функциональные группы, %:
метоксильные, ОСН3 3.36 3.99 4.23 4.06 2.86
общие гидроксильные, ОНобщ 11.53 12.52 8.48 13.28 12.19
карбоксильные, СООН 5.95 6.58 5.09 8.91 6.49
карбонильные, СО 9.80 10.22 5.52 5.68 11.62
группы гидробионтов, которые по ряду показателей могут выступать в качестве удобной модели для оценки качества вод (Бедова, Колупаев, 1998) и использовались нами ранее в натурных и модельных экспериментах в рамках генетического мониторинга. Животных поднимали аквалангисты в бухте Большие Коты (юго-западная часть Байкала). Другим тест-объектом была кукуруза сорта "Российская", которая также удобна для оценки биологической активности различных лигнинсодержащих соединений (Островская и др., 1998).
Самцов моллюсков помещали на 24 ч в сосуды с растворами ЛВ (100 мкг/мл) или байкальской водой (контроль) из расчета одна особь на 50 мл раствора. Из семенников моллюсков готовили препараты методом "отпечатка" (Побережный, 1989). Воздушно-сухие семена кукурузы (100 шт.) после суточного набухания в отстоянной водопроводной воде переносили в чашки Петри с растворами ЛВ в концентрации 4.0, 16.1, 32.2 и 161 мкг/мл или водой (контроль) объемом 7 мл по 25 семян на чашку. Семена проращивали в термостате при температуре 22°С в течение 5 суток. По завершении срока экспозиции определяли долю проросших семян и измеряли длину главного корешка у каждого семени. Корешки фиксировали в этанол-уксусной смеси и хранили в 70%-ном этиловом спирте. Из корешков готовили временные давленые препараты в насыщенном растворе хлоралгидрата. Окраску корешков проводили по Фельгену (Dutt, 1979). Хромосомные аберрации учитывали анафазным методом. Статистическую
оценку полученных данных производили с помощью критерия Стьюдента.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Растворимые в воде при рН < 3 ЛВ в концентрации 100 мкг/мл не оказывали токсичного действия на моллюсков, тогда как нерастворимые (образец 3) вызывали снижение двигательной активности. Однако ранее (Новикова и др., 19946) было показано, что при более высокой концентрации (700 мкг/мл) токсическое действие этого вещества было более острым и вызывало гибель подопытных животных.
Результаты цитогенетического анализа (табл. 2) получены в двух повторностях эксперимента, в одной из которых (2000 г.) исследовали образцы 3 и 4, а в другой (2001 г.) - образцы 1, 2 и 5. Поскольку частота спонтанных мутаций (контроль) в половых клетках моллюсков из указанного выше места сбора в разные годы исследования варьировала, мутагенность каждого ЛВ оценивали относительно своего контроля. Из табл. 2 видно, что все образцы ЛВ, кроме 4-го, вызывают статистически значимое превышение частоты хромосомных нарушений над контролем (Р < 0.05). Различия в эффективности как нерастворимых в воде при рН < 3 (образец 3) ЛВ, так и растворимых (образцы 1, 2 и 5) статистически недостоверны. Выявленные хромосомные нарушения представлены в основном ацентрическими фрагментами, доля которых составляла свыше 80% от всех аберраций.
Таблица 2. Частота хромосомных нарушений в половых клетках моллюсков после воздействия лигнинных веществ
Образец ЛВ Проанализировано Аберрантные клетки Число повреждений на клетку
животных клеток число % всего фрагментов мостов
1 10 680 42 1.9 (6.0 ± 0.8)* 0.086 0.072 0.014
2 8 522 38 2.2 (7.0 ± 1.0)*** 0.117 0.117 0.00
5 8 677 36 1.7 (5.4 ± 0.3)** 0.064 0.064 0.00
Контроль 6 558 17 1.0 (3.1 ± 0.7) 0.045 0.043 0.002
3 6 364 13 2.6 (4.0 ± 0.6)** 0.043 0.043 0.00
4 7 533 13 1.6 (2.5 ± 0.5) 0.034 0.034 0.00
Контроль 6 391 7 1.0 (1.5 ± 0.6) 0.020 0.020 0.00
* Частота хромосомных аберраций относительно контроля, принятого за единицу. ** Разница с контролем статистически достоверна при Р < 0.05. *** Разница с контролем статистически достоверна при Р < 0.01.
Таблица 3. Влияние лигнинных веществ на прорастание семян кукурузы
Концентрация ЛВ, мкг/мл Контроль (вода) Образцы ЛВ
1 2 3 4 5
Доля проросших семян,%
4.0 56.0 ± 1.6 44.0 ± 1.6 51.0 ± 6.8 54.0 ± 4.8 65.0 ± 5.8 43.0 ± 6.8
16.1 48.0 ± 4.3 51.0 ± 8.7 48.0 ± 6.1 54.0 ± 5.3 47.0 ± 2.5
32.3 37.0 ± 4.1** 48.0 ± 6.5 43.0 ± 7.7 65.0 ± 9.6 37.0 ± 5.5*
161 30.7 ± 5.3** 23.0 ± 4.7** 32.0 ± 2.8** 60.0 ± 5.7 26.0 ± 4.2**
Длина главного корешка, см
4.0 6.4 ± 0.3 6.3 ± 0.3 4.8 ± 0.5** 5.0 ± 0.3* 6.0 ± 0.3 6.0 ± 0.3
16.1 5.5 ± 0.4 4.7 ± 0.3** 4.9 ± 0.3* 5.6 ± 0.5 5.7 ± 0.3
32.3 5.7 ± 0.3 5.5 ± 0.5* 4.6 ± 0.3** 6.8 ± 0.4 5.8 ± 0.3
161 4.5 ± 0.3** 3.9 ± 0.3** 3.7 ± 0.2** 6.0 ± 0.3 5.4 ± 0.3*
* Различие с контролем статистически достоверно при Р < 0.05. ** Различие с контролем статистически достоверно при Р < 0.01.
В экспериментах на семенах кукурузы установлена рост-ингибирующая активность всех исследованных образцов, кроме бутанолнераство-римой фракции (образец 4). Негативное влияние ЛВ, выделенных из сточных вод как БЦБК, так и Ц31 БЛПК, в основном усиливалось с увеличением концентрации (табл.3). Наиболее существенно ингибировали интенсивность прорастания семян кукурузы ЛВ БЦБК, нерастворимые в воде при рН < 3 (образец 3), и ЛВ Ц31 БЛПК (образец 2).
Хромосомные мутации в клетках корневой меристемы кукурузы на достоверном уровне индуцировали ЛВ БЦБК (образцы 1 и 3) в концентрациях 161 и 32.3 мкг/мл и ЛВ Ц31 БЛПК (образец 2) в концентрациях 161 и 16.1 мкг/мл, в случае которых наблюдалось 3-5-кратное превышение над контролем (табл. 4). Как и в случае с моллюсками, спектр наблюдаемых хромосомных наруше-
ний не изменялся по сравнению с таковым спонтанных хромосомных мутаций: в нем преимущественно были представлены ацентрические фрагменты при небольшой доле мостов, которые встречались во всех вариантах опыта независимо от дозы вещества. Нерастворимая в бутаноле и растворимая в смеси бутанол-бензол фракции ЛВ (образцы 4 и 5) не вызывали статистически значимого цитогенетического эффекта ни при одной из использованных
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.