УДК 574.2
МЕТАЛЛОТИОНЕИНЫ КАК БИОМАРКЕРЫ В ПРАКТИКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ
И. А. Данилин
докторант, Российский университет дружбы народов,
ilyadan@rambler.ru Б. И. Сынзыныс
профессор, Обнинский государственный технический университет атомной энергетики, профессор кафедры экологии,
ecology@iate.obninsk.ru ю. П. Козлов
профессор, Российский университет дружбы народов,
jp-kozlov@mail.ru
Перспективным направлением в вопросах экологического нормирования является разработка биоиндикационных методов, которые могут быть применимы для уточнения приемлемого риска экосистемы в меняющихся условиях существования.
Биоиндикация как часть экологического мониторинга осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулярном, клеточно-организменном, популяционно-видовом, биоценотическом. Очевидно, что сложность характера взаимодействия живой материи с внешними факторами возрастает по мере повышения уровня ее организации. Однако с повышением уровня биоиндикация теряет свойства чувствительности и специфичности. В то же время достоинство биоиндикации на клеточном и субклеточном уровне заключается в высокой чувствительности к нарушениям, позволяющей быстро выявить даже незначительные концентрации поллютантов. Именно на этих уровнях возможна наиболее ранняя диагностика качества окружающей среды.
Одним из биологических показателей комбинированного действия тяжелых металлов и ионизирующего излучения являются белки-металлотионеины (МТ). МТ представляют собой низкомолекулярные белки (6—7 кДа), содержащие до 30% цистеина, и способные связывать ионы тяжелых металлов (ТМ). МТ обнаружены во всех исследованных эукариоти-ческих организмах, а также в клетках прокариот [1].
Уровень МТ в органах и ткани моллюсков как индикатор антропогенного загрязнения водоема. Выбор в качестве тест-объектов моллюсков
Рассматриваются вопросы использования белков-металлотионеинов при биологическом тестировании для ранней диагностики изменений, происходящих в экосистемах под воздействием токсичных веществ и радионуклидов.
The article discusses the opportunities for using metallothionein for early diagnostics of destructions ecosystems resulting from impact of toxic substances and radionuclides.
Ключевые слова: биоиндикация, экосистема, экологическое нормирование, металлотионеины.
Таблица 1
Динамика удельного содержания МТ в ткани моллюсков(Anodonta sp.) в зависимости от класса качества воды
Класс качества воды в местах отбора проб моллюсков Удельное содержание МТ у беззубки (Anodontа sp.), мкг/г
Октябрь Ноябрь Декабрь
II класс 1.75±0.22 1.50±0.30 1.23±0.23
III класс 2.52±0.48 8.64±1.16' 1.56±0.40
II класс 1.40±0.38 2.20±0.30 1.30±0.43
* Отличие от контроля достоверно, р<0.05.
объясняется тем, что они являются распространенным объектом исследования в прикладной гидробиологии и характеризуются высокими коэфициентами накопления ТМ и радионуклидов [2]. Нами исследовано содержание МТ в различных тканях и органах двустворчатых моллюсков: беззубки (Anodonta sp.), перловицы (Шю sp.), отловленных летом в р. Протве (г. Обнинск, Калужская обл.), оз. Огублянка (г. Жуков, Калужская обл.) [3]; дрейссены D. polymorpha в оз. Форелевое (Калининградская обл), катушки (Planorbarius sp.) [5,6,7] и прудовика (Lymnaea sp) пр. Белкинские пруды (г. Обнинск, Калужская обл.) [3].
С помощью биотического индекса [4] установлено, что качество воды в точке № 2 отбора проб моллюсков на период измерений соответствовало III классу (умеренно загрязненная). В то время как в рекреационной зоне (точка № 1) и через 200 метров вниз по реке (точка № 3) класс качества воды был II (чистая) (табл.1).
Аналогичные данные получены нами [3] и на моллюсках катушка (Planorbarius sp. ) и прудовика (Lymnaea sp) пр. Белкинские пруды (г. Обнинск, Калужская обл).
Изменение класса качества воды за период наблюдения с II (чистая) до IV (сильное загрязнение) объясняется сезонным загрязнением водоема находящегося в городской черте, а именно связано с увеличением дождевого стока в пруд, содержащего ионы РЬ и другие поллютан-ты. Дальнейшее исследование этого водоема показало, что уровень МТ снижается при снижении класса качества воды.
Установлены сезонные изменения удельного содержания МТ в теле
моллюсков D. polymorpha. Зимой (декабрь — 22,4±8,5 мкг/г) содержание МТ в теле D. polymorpha выше, чем в летние месяцы (июнь — 7,4±1,2 мкг/г). Самое низкое содержание МТ в апреле (2,8 ± 1,2 мкг/г).
Зависимость содержания ТМ в теле D. polymorpha и концентрацией Zn2+, Cd2+, Си2+ и РЬ2+ в воде оз. Форелевое показана на рисунке 1.
Значение R логарифмических уравнений для зависимостей между уровнем металлотионеинов и концентрацией тяжелых металлов в воде составило для Cd № = 0,91), Си № = 0,89), РЬ № = 0,74), Zn № = 0,97) соответственно.
Лабораторные и полевые исследования показали, что положительная корреляция имеет место в случае воздействия ионов Cd [5].
Похожие данные были получены [6] при определении МТ в морских двустворчатых моллюсках M. balthica. Концентрация МТ увеличилась с 0,85 ± 0,02 в апреле до 7,81 ± 1,1 мкг/г в декабре, сравнимые величины обнаруживались для других морских и пресноводных беспозвоночных [7, 8, 9,10].
Моделирование загрязнения водоемов кадмием свидетельствует об увеличении синтеза МТ, причем к 16 сут наблюдения отмечено 3—8 кратное увеличение уровня МТ. Синтез МТ начинается одновременно во всех органах. Достоверное увеличение уровня МТ в тканях при культивировании моллюсков в воде с кадмием (0,2 мг/л) начинается на 9 сут, а для концентрации 1 мг/л — на 6 сут с начала экспозиции. Содержание МТ у беззубки не зависит от возраста животного, что свидетельствует об отсутствии кумулятивного эффекта, связанного с накоплением ТМ в мягкой ткани.
Си у= 4,О80Ьп<х) - 7,539
¿п у= - 12,245Ьп(х) -41,371 = 0,97 | ¡1=0,95; Р<0,051
РЬ у - - 5,055Ьп(х) - 12,792 К = 0,74 [[1=0,14; Р<0,05]
С<1 у= 11,7411л(х)+90,658 Я = 0,91 [Е1=0,92; Р<0,05]
Рис. 1. Зависимость между концентрацией Zn2+, Си2+, Cd2+ и РЬ2+ в воде оз. Форелевое и содержанием белков-МТ в теле D. polymorpha По оси 0х — Концентрация металла в воде оз. Форелевое; по оси 0у — содержание металлотионеинов в теле D. polymorpha. Зависимость аппроксимирована логарифмическим уравнением. В квадратных скобках — коэффициент корреляции Пирсона (Я) и уровень значимости (Р)
Действие ^-излучения на моллюсков приводит к достоверному увеличению уровня МТ. Например, 7-облучение моллюсков (АиойоШа sp.) в дозе 25 Гр сопровождалось достоверным увеличением уровня МТ в 2—3 раза в зависимости от исследуемого органа (жабры, печень, почки, мантия) [11].
Данные по удельному содержанию МТ в ткани наземных моллюсков свидетельствуют о следующем. Исследуемый показатель растет с увеличением дозы облучения и достигает наибольшего значения при величине поглащенной дозы 47,6 мГр/год.
При комбинированном действии 7-излучения (25 Гр) и ионов Cd (0,2
мг/л) наблюдается синергическое увеличение уровня МТ. Аналогичные в качественном отношении результаты были получены при изучении [12] индуцированных комбинированным действием кадмия и у-облучения эффектов в печени мышей.
Если сравнить удельное содержание МТ в ткани моллюсков беззубка и перловица с уровнем МТ в ткани дрейссены и мидии, то в данном случае наблюдается достоверное отличие. Вероятно, что содержание МТ в ткани моллюсков является величиной, зависящей от вида моллюска, среды обитания и характера питания. Поэтому при проведении работ по биоиндикации водных экосистем
н 18
1
1 14
| 12
11"
I
4
2 О
контро/ъ 40 126 19715
у^ельндн активность стронция -90 Бк/кг
Рис. 2. Удельное содержание МТ
в почках грызунов. Отличие от контроля достоверно, p<0.05.
Таблица 2
Удельное содержание МТ (мкг/г) и концентрация ТМ в поверхностных водах
Концентрация ТМ, мкг/л Удельное содержание МТ, мкг/г
пробы Сd Zn Си печени почки
Контроль 0,03 3,11 0,92 4,40±0,51 3,51±0,42
Точка № 4 0,02 11,20 2,59 19,22±3,1 7,70±1,32
Точка № 7 0,01 3,09 3,09 8,01±1,84 16,9±2,03
необходимо оценивать контрольный уровень МТ, характерный для данного вида моллюска.
Удельное содержание МТ в ткани грызунов для оценки загрязнения биоценозов ТМ и радионуклидами. Анализ данных по оценке загрязнения биоценоза в районе размещения регионального хранилища радиоактивных отходов и его влияния на удельное содержание МТ в почках грызунов (Apodemus sylvaticus L.) [13] показал, что удельное содержание МТ меняется в зависимости от уровня загрязнения (рис. 2).
Однако многолетние исследования лесных мышей и рыжих полевок, обитающих на территории Сергиево-Посадского технологического комплекса ГУП Мос НПО «Радон», показали, что животные, обитающие на загрязненных территориях характеризуются нормальными клиническими показателями. Установлено, что у рыжих полевок наблюдается незначительная тенденция к увеличению МТ в почках. У полевых мышей не отмечалось даже тенденции к увеличению МТ.
Вероятно, при биомониторинговых исследованиях увеличение удельного содержания МТ является следствием
комплексного загрязнения. Действительно, как показывают наши исследования природных популяций лесных мышей, отловленных в районе хранилища радиоактивных отходов, уровень МТ возрастает с увеличением содержания ТМ (индукторов белков-МТ) в поверхностных водах, расположенных в непосредственной близости от точек отбора проб. Удельное содержание МТ в печени и почках мышей и концентрация ТМ в прилегающих водоемах представлены в таблице 2. Контролем служили мыши, отловленные в экологически чистой зоне.
Таким образом, можно полагать, что повышение удельного содержания МТ в печени животных является результатом сочетанного воздействия ионизирующего излучения и ТМ.
Для сравнения результатов биотестирования и выявления наиболее эффективного метода было проведено исследование состояния переферической крови лесных мышей. Однако это исследование не показало негативного влияния на систему кроветворения при данных уровнях радиации.
Заключение. Представленные экспериментальные данные свидетельствуют
об эффективности и информативно- параметра в программах би
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.