Металлотионеины как биомаркеры при действии на организмы тяжелых металлов и ионизирующего излучения
На правах рукописи
ДАНИЛИН Илья Анатольевич МЕТАЛЛОТИОНЕИНЫ КАК БИОМАРКЕРЫ ПРИ ДЕЙСТВИИ НА ОРГАНИЗМЫ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ 03.00.16 - экология 03.00.01 - радиобиология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Москва – 2010 2
Работа выполнена на кафедре системной экологии экологического факультета Российского университета дружбы народов.
Научные консультанты:
доктор биологических наук, профессор Козлов Юрий Павлович доктор биологических наук, профессор Сынзыныс Борис Иванович
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор Пелевина Ирина Ивановна (институт химической физики им. Н.Н. Сеченова РАН) доктор биологических наук, профессор Коренков Игорь Петрович (НПО «Радон») доктор биологических наук Котелевцев Сергей Васильевич (МГУ им М.В. Ломоносова) В еду щ а я о рга н иза ци я :
Ин с ти т ут б ио ф из и чес к о й х им и и им. Н. М.Эм а н уэ л я Р АН.
З ащ и та д исс ер т а ц и и со сто и тс я 2 7 а пр е ля 2 0 1 0 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.203.17 при Р о сси й ско м ун и в ер с и те те др уж б ы н ар о до в по а др е с у: 1 1 5 0 9 3, г. Мо ск ва, По до ль ско е шо ссе, д. 8 /5, э ко ло г ич еск и й фак ул ь т е т Р УД Н
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, г. Мо ск ва, ул. М ик л ух о - Ма к ла я, д.6 ;
с ав то р е фер а то м – н а са й те В АК : h ttp : // www. v a k.ed.go v.r u.
Ав то р е фер а т р азо с ла н 0 7 фе вр а ля 2 0 1 0 г.
Уче ны й се кр е тар ь д исс ер т а ц ио нно го со ве та :
до кто р б ио ло г ичес к и х на ук, пр о фес со р Че рныш о в В.И.
О БЩ АЯ Х АРА К Т ЕРИ СТ И К А Р АБО ТЫ Актуальность проблемы. При действии внешних физико химических факторов на организм в его тканях происходит нарушение стационарного уровня концентрации свободных радикалов (Тарусов, 1954;
Эмануэль, Липчина, 1958;
Козлов, 1973;
Emanuel, 1976).
Установлено, что организм животных и растений реагирует на изменение концентраций свободных радикалов функционированием защитной антиокислительной системы клетки. В ее состав входит ряд специализированных ферментов (Fridovich, 1974-1982;
Halliwell, 1974 1979;
Chence, 1979;
Flohe, 1982;
Ланкин, 1985;
Бурлакова и др., 1975;
Журавлев, 1975), а также группа соединений, связывающих ионы металлов переменной валентности, выполняющих каталитическую функцию (Владимиров, 1970-1984;
Hochstain, Ernster 1967).
Среди стрессорных белков, которые синтезируются при повреждении клеток чрезмерной активацией процессов свободнорадикального окисления, сопровождающихся повышенным уровнем образования активных форм кислорода (АФК), важная роль отводится белкам-металлотионеинам (МТ) (Margoshes, Vallee, 1957).
МТ представляют собой низкомолекулярные белки (6-7 кДа), содержащие до 30% цистеина и способные связывать ионы тяжелых металлов (ТМ). МТ обнаружены во всех исследованных эукариотических организмах, а также в клетках прокариот (Kagi, 1993). В настоящее время увеличение уровня МТ рассматривается как одна из форм адаптивного ответа, приводящего к усилению радиорезистентности биологических объектов (Котеров, Филиппович, 1995;
Котеров и др., 1998).
Во второй половине 80-х гг. в растениях были выделены пептиды, содержащие SH-группы и способные связывать ионы Сd.
Впервые они обнаружены в культуре клеток Rauvolfia serpentine (Grill, Winnacker, Zenk, 1985;
Kondo et al.,1984), эти соединения были названы фитохелатинами или металлотионеинами третьего класса.
Особая актуальность изучения индукции синтеза МТ в настоящее время связана с необходимостью проведения комплексных оценок радиоэкологического состояния экосистем, в том числе с выбором референтных организмов или показателей, как того требуют рекомендации Международной комиссии по радиационной защите (MARINA II, 2002;
EPIC, 2001,2003;
Sazikina et.al., 2002;
МКРЗ, 2004).
Цель и задачи исследования. Работа посвящена анализу уровня белков-МТ в тканях растений и животных как комплексного биомаркера окислительного стресса при действии ТМ и ионизирующего излучения.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие основные задачи:
• оценены антистрессорные свойства МТ при воздействии экзогенных повреждающих факторов, провоцирующих развитие окислительного стресса в организме растений и животных;
• выявлены свойства МТ как биомаркеров развития процессов свободнорадикального окисления, вызванного воздействием экзогенных и эндогенных стрессорных факторов;
• изучены общие закономерности индукции синтеза МТ организмов с различным уровнем биологической организации (растений, беспозвоночных и позвоночных животных);
• разработаны научно-практические методы оценки и изменения устойчивости экосистем в случае присутствия популяции референтных организмов с повышенным уровнем белков-МТ, индуцированным антропогенными повреждающими факторами;
• проанализирована эффективность предварительной стимуляции синтеза МТ при фиторемедиации городских сточных вод для снижения уровня канцерогенного и неканцерогенного риска ТМ.
Теоретическая значимость и научная новизна исследований.
• В диссертационной работе впервые систематически исследованы механизмы действия и оценены антистрессорные свойства МТ при воздействии экзогенных повреждающих факторов, провоцирующих развитие окислительного стресса в организме растений и животных.
• Установлено, что увеличение уровня МТ в ответ на экзогенные повреждающие факторы имеет единую генетически детерминированную природу, так как сходные реакции возникают у организмов, пути эволюции которых разошлись многие миллионы лет назад – млекопитающие (мыши), беспозвоночные животные (моллюски), растения (ячмень).
• Установлены нелинейные эффекты комбинированного действия ионов ТМ и ионизирующего излучения на уровень МТ в клетках разных органов и тканей моллюсков, в печени мышей и корешках проростков ячменя. Исследованные в работе животные и растения принадлежат к разным царствам живого мира, что позволяет предположить общее происхождение внутриклеточных систем генетического контроля биосинтеза металлсвязывающих белков в клетках растений, беспозвоночных и позвоночных животных. Эти системы играют важную роль в сложном процессе формирования ответной реакции клетки на внешнее повреждающее оксидативное воздействие.
• Установлена способность прединдукии МТ защищать растительные и животные организмы от окислительного стресса, провоцируемого действием ТМ и ионизирующим излучением, выраженная зависимостью между уровнем МТ и выживаемостью мышей, проростаемостью семян, фильтрационной активностью моллюсков.
• Впервые показана эффективность прединдукции синтеза белков МТ для фиторемедиации территорий, загрязненных ТМ и радионуклидами.
Практическая значимость результатов исследований.
1. Результаты лабораторных и полевых экспериментов, представленных в диссертационной работе свидетельствуют о высокой эффективности и информативности использования показателя удельного содержания МТ в органах и тканях моллюсков в качестве биоиндикационного параметра в программах биологического мониторинга антропогенно-загрязненных территорий.
2. Стимуляция синтеза белков МТ в качестве средства, характеризующегося комплексным механизмом защитного действия, целесообразна для повышения выживаемости в условиях действия на организм окислительного стресса различного генезиса.
3. Показана эффективность использования растения водный гиацинт (Eichornia crassipes) с прединдукцией синтеза МТ для доочистки вод ливневых канализаций.
Положения, выносимые на защиту:
1. Уровень МТ в растительных и животных клетках является информативным показателем развития окислительного стресса при действии -излучения и ТМ.
2. Уровень МТ является специфичным и информативным биомаркером при проведении радиоэкологического мониторинга ландшафтов, позволяющий оценить действие ионов ТМ и радионуклидов с позиции развития окислительного стресса у референтных организмов.
3. Полученные результаты служат экспериментальным обоснованием целесообразности применения прединдукции синтеза МТ в ткани водного гиацинта (Eichornia crassipes) для повышения выживаемости растений и повышения эффективности процесса гидроботанической очистки сточных вод.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международном конгрессе “Энергетика - 3000” (Обнинск, 1998), всероссийской конференции “50 лет производства и применения изотопов в России” (Обнинск, 1998), международной научно-практической конференции “Актуальные проблемы экологии на рубеже третьего тысячелетия и пути их решения” (Брянск, 1999), конференции “Радиация и биосфера” (Обнинск, 2000), IV съезде по радиационным исследованиям (Москва, 2001), VIII Российской научной конференции “Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях” (Обнинск, 2002), международной конференции проблемы “Геоэкологические загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами” (Тула, 2003), Сахаровских чтениях 2005 года: экологические проблемы XXI века (Минск, 2005), The 2nd International Conference on Radioactivity in the Environment & the 6th International Conference on Environmental Radioactivity in the Arctic and the Antarctic (Nice, France, 2005), Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых (Пущино, 2005), V съезде по радиационным исследованиям (Москва, 2006), The Сonference «Technology Science Works in the Western Lithuania» (Klaipeda, Lithuania, 2006), IV и VI региональной научной конференции “Техногенные системы и экологический риск” (Обнинск, 2007, 2009), 4th International Conference on Metals and Genetics (Париж, Франция, 2008), 17th International Environmental Bioindicators Conference (Moscow, 2009), конференции “Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития” (Киров, 2009), научная сессия НИЯУ МИФИ (Обнинск,2010).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 39 печатных работах, включая 12 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также публикации в сборниках трудов и тезисов докладов на российских и зарубежных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, результатов и выводов, списка литературы.
Работа изложена на 287 страницах, включая 33 рисунка и 25 таблиц.
Список литературы включает 289 источников.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы, ставятся задачи, решаемые в диссертации, обсуждается их научная новизна, теоретическая и практическая значимость.
Среди процессов индуцирующих состояние окислительного стресса выбраны следующие: действие ионов ТМ (Сd), -излучение, опухолевый рост. Предпосылкой для выбора Cd в качестве индуктора окислительного стресса обусловлено тем, что при действии на клетку происходит не прямое образование свободных радикалов, а снижение системы антиоксидантной защиты, в результате конкурентных отношений между ионами металлов, входящих в состав ферментов антиоксидантной защиты. Интерес заключался в том, чтобы узнать каким образом реагирует на действие ионов Cd процесс синтеза белка МТ, включенный в систему аниоксидантной защиты и можно ли использовать этот белок в качестве биомаркера развития окислительного стресса. Ионизирующее излучение и опухолевый рост индуцирует в биологических объектах свободные радикалы и молекулярные продукты, в частности, перекиси, способные изменять структуру биологически важных молекул. Однако, до настоящего времени не было известно: остаются ли активными белки-МТ, способны ли они осуществлять свои радиопротекторные функции и могут ли служить биомаркерами окислительного стресса при развитии опухолевого процесса.
В первой главе «Индукция МТ как показатель развития окислительного стресса при действии ионов тяжелых металлов и излучения на организмы» проведен аналитический обзор литературы, в котором отражена многоаспектность проблемы, представлены известные решения и данные в рамках изучаемой темы.
В результате плазменно-эмиссионной спектроскопии раствора белка-МТ было установлено в структуре присутствие ионов металлов переменной валентности (Fe, Сu). Вероятно, что структура доменов белка-МТ, наличие SH-групп должно определять антиоксидантные свойства МТ. Доказательством уникальности структуры белка-МТ, например, по сравнению с гемоглобином, который тоже содержит ион Fe, послужили опыты in vitro развития цепной реакции образования гидроксил радикалов. На рис. 1 представлен график развития окислительного процесса в системе: фосфатный буфер, люминал, гемоглобин, перекись водорода. Для регистрации свободных радикалов использовали прибор «БИОТОКС» в целях детектирования сверхслабого излучения (имп/мин) в режиме счета одиночных фотонов с помощью фотоумножителей. Показано, что введение МТ в эту систему на 369 с развития цепной реакции образования гидроксил радикалов приводит к их инактивации и гашении реакции. Таким образом, впервые было показано, что непосредственное действие МТ приводит к удалению из системы свободных радикалов, а не опосредовано активацией антиоксидантных механизмов. Вероятно, что структура доменов эволюционно была сформирована для перевода ионов переменной валентности в неактивное состояние, в том числе и ионов Fe. Поэтому, биологическая роль МТ заключается не в том, что бы являясь «ловушками» для свободных радикалов перехватывать, «тушить» оксирадикалы, вклад которых по сравнению с, например, супероксиддисмутазой (СОД) и глутатионом в общий механизм антирадикальной защиты незначителен, а в том, чтобы переводить металлы переменной валентности в неактивное состояние, участвуя в гомеостазе ТМ.
МТ имп/мин МТ 1 17 33 49 65 81 97 113 129 145 161 177 193 209 225 241 257 273 289 305 321 337 353 369 385 401 Время, с Рис. 1. Ингибирование протекания свободно-радикальной реакции образования гидроксил радикалов Предварительное добавление МТ (10 мкл в концентрации мг/л) в систему – фосфатный буфер, люминал, гемоглобин, перекись водорода – привело к значительному снижению (в 17 раз) протекания реакции образования свободных радикалов. Повторное добавление МТ в систему на 369 с привело к дополнительному снижению интенсивности протекания реакции (рис. 1). Этот факт интересен, так как в качестве протектора МТ может быть применен до начала развития цепной реакции образования свободных радикалов.
Вероятно, что отсутствие роста количества радикалов обусловлено связыванием ионов Fe и перевод его в неактивную форму, а повторное гашение реакции обусловлено наличием SH-групп, которые взаимодействуя с оксирадикалами легко окисляются и теряют способность связывать металлы (Klein et.al., 1994).
Анализируя участие МТ в формировании ответной реакции растительных и животных клеток на действие -излучения и ионов Сd на основании собственных исследований рассмотрены общие закономерности индукции синтеза МТ организмов с различным уровнем биологической организации (растения, беспозвоночные и позвоночные животные).
Растения (ячмень). Поскольку одним из наиболее эффективных индукторов МТ является Cd (Grill et al., 1987;
Maitani et al., 1996), в проростках ячменя была изучена индукция МТ ионами Cd.
Выбор концентрации был обусловлен способностью ионов Сd ингибировать рост корневой системы, 50% задержка наблюдается при действии Сd в концентрации 0,8-1 мМ (Зарипова, 2008). Причиной ингибирования роста корней является способность Сd вызывать окислительный стресс, сопровождающийся подавлением системы антиоксидантной защиты (Ranieri et al., 2005, Tams et al., 2006) и синтезом соединений, содержащих SH-группы (Титов и др.2007).
Однако достоверные данные по индукции кадмием МТ-подобных соединений в корешках ячменя (Hordeum vulgare L.) отсутствовали.
Доказательством присутствия МТ в корешках ячменя Hordeum vulgare L. являются результаты экспериментов, представленных на рис. 2. Установлено одновременное увеличение оптической плотности, содержания и при выходе из колонки SH-групп Cd низкомолекулярных соединений (фракции №21-25). Поскольку повышение оптической плотности на длине волны 254 нм и повышенное содержание SH-групп во фракциях, отобранных в процессе гель-фильтрации, является характерным признаком наличия МТ (Grill et al., 1985), то полученные в нашем эксперименте результаты свидетельствуют об их присутствии в проростках ячменя.
0,4 0, I 0, 0, оптическая плотность, Концентрация Сd мг/л;
0, оптическая плотность, 0,3 II 0, 0, 412 нм 0, 254 нм 0, 0, 0, 0, III 0,1 0, 0,05 0, 0 19 20 21 22 23 24 25 номер фракции Рис. 2. Профиль элюции белков (I) и SH-групп (III), содержание Сd (II) после гель-фильтрации экстрактов корневой меристемы проростков, пророщенных в среде с Сd (10 мМ) В результате проведенного измерения удельного содержания МТ-подобных белков в корешках ячменя на 24 ч воздействия ионов Cd (рис. 3) и сопоставления полученых данных с результатами измерения поглощения на длине волны 254 нм фракции после гель-фильтрации (табл. 1), было установлено, что Сd вызывает индукцию МТ в диапазоне концентрации от 0-1 мМ, дальнейшее увеличение концентрации не эффективно. Вероятно, что отсутствие индукции МТ обусловлено токсическим действием в результате ингибирования механизмов антиоксидантной защиты с участием белков-МТ. В пользу этого предположения свидетельствует наблюдавшееся в этом варианте эксперимента подавление роста корешков проростков.
Удельное содержание МТ, * мкг/г сух.ткани * * * 0 0,5 1 2 Концентрация Сd, мМ Рис. 3. Удельное содержание МТ в корешках проростков ячменя при действии ионов Сd Отличие от контроля достоверно, p0, В табл. 1 представлены значения оптической плотности во фракциях, соответствующих максимуму кривых, при проращивании семян ячменя в среде, содержащей ионы Cd. Статистический анализ показал, что воздействие изученных факторов на проростки ячменя ведет к достоверному увеличению оптической плотности фракций №22-24, что свидетельствует о стимуляции синтеза МТ-подобных белков.
Таблица 1. Оптическая плотность при длине волны 254 нм экстрактов проростков ячменя в зависимости от характера воздействия Номер фракции Вариант опыта 22 23 Контроль 0,155±0,012 0,233±0,018 0,175±0, 0,275±0,027 0,308±0,020 0,242±0, Cd, 1мМ * 0,284±0,027* 0,254±0,030* Сd, 2мМ 0,264±0, Cd, 10мМ 0,228±0,002 0,295±0,053 0,234±0, Отличие от контроля достоверно, p0,05.
Исследование действия -излучения на содержание МТ проводилось при дозах 10, 30, 75 и 100 сГр (рис. 4). Установлено, что облучение в дозе менее 75 сГр не вызывает достоверного увеличения МТ-подобных соединений.
Удельное содержание МТ, 45,00 * 40, * 35, мкг/г сух.вес.
30, 25, 20, 15, 10, 5, 0, контроль 10 30 75 Доза, сГр Рис. 4. Удельное содержание МТ-подобных соединений в корешках ячменя при действии -излучения * Отличие от контроля достоверно, p0, Изменение оптической плотности и содержания SH-групп при действии на проростки ячменя -излучения в дозе 75 сГр носит аналогичный характер (рис. 5). Максимальные значения этих показателей наблюдаются во фракциях №21-25.
0,35 0, I Концентрация Cd, мг/л;
оптическая плотность, оптическая плотность, 0,3 0, 0, 0, 254 нм 412 нм 0, 0, III 0, 0, 0, 0, 0,05 II 0 19 20 21 22 23 24 25 номер фракции Рис. 5. Профиль элюции белков (I) и SH-групп (III), содержание Сd (II) после гель-фильтрации экстрактов корневой меристемы проростков облученных в дозе 75 сГр Возможность использования растительных МТ-подобных соединений в качестве биомаркеров будет определяться способностью реагировать на воздействие. Результаты измерения удельного содержания МТ в корешках ячменя показали способность МТ как биомаркеров реагировать на радиационное воздействие и токсическое действие ионов Cd. Таким образом, данный класс соединений как биомаркер позволяет установить факт контакта организма с исследуемым веществом, что дает возможность классифицировать этот показатель как биомаркер воздействия.
Однако, в условиях антропогенного загрязнения территории информация о действии поллютантов в рамках одной компоненты экосистемы (растения) мало информативна, так как в процессе миграции загрязняющие вещества могут разлагаться с образованием более токсичных соединений, мигрировать по пищевым цепям, сорбироваться в донных отложениях, почве, раковинах и тканях организмов, оказывая косвенное воздействие. Например, депонированные радионуклиды оказывают негативное действие на водные организмы за счет внешнего облучения, вызывая окислительный стресс. Оценить и сравнить окислительный стресс, вызванный ТМ и радионуклидами, на разные компоненты экосистем можно путем измерения уровня МТ в тест-объектах. Для водных экосистем таким тест-объектом являются беспозвоночные животные (моллюски).
Беспозвоночные животные (моллюски). В экспериментах на беспозвоночных животных – моллюсках (Anodonta sp., D. polymorpha) – также установлено достоверное увеличение удельного содержания МТ в ответ на воздействие ионов Сd (см. рис. 6). Содержание МТ измерялось по методике, описанной в работе (Eaton, 1982) с небольшой модификацией (Данилин, 2004). Исследования по содержанию ТМ (Zn, Pb, Cd, Cu) в воде и теле D. polymorpha были проведены в физико-химической лаборатории ВНИИ АТЛАНТНИРО (г. Калининград) по следующим стандартам: ГОСТ 26929-86, ГОСТ 30178-96, ИСО 8288-86. Определение ТМ во всех видах проб проводили методом атомно-абсорбционной спектроскопии: Zn, Cu, Pb, Cd (спектрометр плазменно-эмиссионный Varian Liberty AX Sequential ICP-AES), а также в лаборатории радиохимии и аналитической химии.
ВНИИСХРАЭ РАСХН г. Обнинск. В работе использовалась концентрации 0,2 мг/л и 1 мг/л, основанием для выбора послужила информация о токсических эффектах в результате поглощения ионов Cd. Экспериментально показано, что интоксикация Сd в диапазоне от 0,2 до 1 мг/л приводит к некрозу эпителиальных и соединительных тканей органов. Эпителиальные ткани в очагах поражения отекали. В участках омертвения возникали характерные изменения клеточного ядра (кариопикноз, кариолизис) и цитоплазмы (крупнокапельная дистрофия, вакуолизация, цитолиз). Вокруг пораженных участков отмечалось воспаление – местная приспособительная реакция организма, возникавшая в ответ на повреждение тканей (Канатьева, 2005). Установлено, что в указанном диапазоне концентраций увеличивается уровень малоновогодиальдегида в ткани двустворчатых моллюсков, характеризующего развитие окислительного стресса.
(Довженко и др., 2005).
* Содержание МТ, мкг/г * * * * 10 * * 3 6 Время, сут 9 13 Рис. 6. Динамика удельного содержания МТ в органах Anodonta sp. при действии ионов Cd 1 – контроль;
2- 0,2 мг/л;
3 – 1 мг/л CdCl * Отличие от контроля достоверно, p0, Из представленных на рис. 6 результатов следует, что под воздействием ионов Сd происходит увеличение синтеза МТ в жабрах моллюсков. Было установлено, что необходимо порядка 8 сут для того, чтобы контакт с ионами Сd приводил к достоверному увеличению содержания МТ в тканях моллюсков.
Аналогичные данные были получены при исследовании влияния ионов Pb2+ (0,03 мг/л), Zn2+ (1,0 мг/л), Cd2+ (0,001 мг/л), Cu2+ (1,0 мг/л), что составляет 1 ПДК для водоемов хозяйственно-бытового назначения. На 9 сут эксперимента в опыте с Pb2+, Zn2+, Cd2+ и Cu2+ отмечено повышение уровня МТ в теле моллюсков соответственно в 2,9 (6,1 ± 0,1), 2 (5,7 ± 0,2), 2,6 (7,2 ± 0,4) и 2,6 (7,1 ± 0,4) раза по сравнению с контролем (3,1 ± 0,1). На 21 сут эксперимента содержание МТ в теле моллюсков возросло соответственно в 6,5 (17,7 ± 1,2), 3, (10,3 ± 0,9), 6,6 (18,1 ± 2,1), 6,2 (17,2 ± 1,9) раза по сравнению с контролем (2,8 ± 0,1). В контроле, в течение всего эксперимента, не происходило статистически значимого изменения содержания МТ в теле D. Polymorpha. Таким образом, на протяжении всего времени эксперимента наблюдалось увеличение удельного содержания МТ, что может свидетельствовать о накоплении ТМ в организме моллюсков и развитии окислительного стресса. В течение периода эксперимента концентрация ТМ в теле D. polymorpha достоверно увеличивалась.
Например, содержание Сu в теле моллюска на 9 сут экспозиции в воде с концентрацией 1,0 мг/л увеличилось в 1,6, а на 21 сут в 2,6 раза.
Необходимость детектирования действия ионизирующего излучения от радионуклидов, находящихся в химически связанном состоянии (например, депонированных иловыми отложениями) и выключенных из круговорота веществ, делает актуальным исследования изменения уровня белков-МТ в органах и тканях тест объектов водных экосистем. При облучении моллюсков в дозах 25 Гр, 50 Гр, 150 Гр (ЛД50/30=150-250 Гр) удельное содержание в мантии, печени, почках и печени повышалось, однако дозовой зависимости не обнаружено. В первые сутки после облучения наблюдалось уменьшение удельного содержания МТ в жабрах, печени и мантии моллюсков по сравнению с контролем (табл. 2). Вероятно, к этому моменту клетки моллюска израсходовали имевшийся запас МТ на связывание образовавшихся при облучении свободных радикалов.
Затем, синтез этих белков увеличивается, и к 8-м сут уровень МТ достоверно возрастает по сравнению с контролем (табл. 2). Такой характер изменения содержания МТ в тканях моллюска показывает, что повышение его содержания на 8-е сут после облучения обусловлено увеличением синтеза de novo, а не уменьшением деградации существующих белков.
В литературе имеются сведения (Котеров, Филиппович, 1995) о количестве МТ в клетках мышей в зависимости от дозы облучения, однако в наших опытах индуцированный облучением уровень МТ хотя и превышал достоверно контрольное значение при всех использованных значениях экспозиции, но не проявлял зависимости от величины дозы.
Таблица 2.Изменение удельного содержания МТ в органах и тканях Anodonta sp. после -облучения в дозе 25 Гр Содержание МТ, мкг/г Орган/ 1 сутки 8 сутки Ткань Контроль 25 Гр Контроль 25 Гр 3,61±0,65* Жабры 2,54±0,77 2,08±0,37 2,2±0, 1,34±0,08* 4,51±0,17* Печень 2,87±0,95 2,6±0, 41,36±10,6* Почки 14,85±5,04 18,6±3,60 11,2±2, 2,34±0,14* 7,39±0,83* Мантия 3,67±0,81 4,3±0, * Отличие от контроля достоверно, р0,05.
Приведенные выше данные свидетельствуют в пользу предположения об эффективности применения МТ для биоиндикации воздействия развития окислительного стресса, вызванного ТМ и ионизирующим излучением. Однако, как показывают наши эксперименты на животных, уровень МТ может стать информативным биомаркером не только воздействия, но и эффекта развития окислительного стресса.
Животные (мыши). Эксперименты выполнены на мышах (CBAC57Bl/6) массой 22-24 г. Материал готовили к анализу согласно методике (Eaton, 1982;
Данилин, 2004). Определение уровня МТ в органах мышей осуществляли во ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии г. Обнинск радиохимическим методом.
На рис. 7 представлены данные об изменении удельного содержания МТ в печени мышей после введения подкожно раствора CdCl2. Способ введения ионов Cd обусловлен тем, что только 4-5% кадмия, поступившего в организм per os, усваиваются, а остальная часть выводится с калом, а введенный подкожно кадмий концентрируется в почках и печени без потерь (Авцын, 1987).
Установлено, что такое воздействие вызывает у животных достоверное увеличение МТ уже через 3 ч после введения. Приведенные данные свидетельствуют об эффективности введения раствора CdCl2 в количестве 1 мг/кг веса животного подкожно как индуктора МТ в печени мышей. Выбор данной концентрации 1 мг/кг веса животного обусловлен отсутствием токсического эффекта (ЛД 50/30=4,6 мг/кг), а так же отсутствием увеличения МТ при дальнейшем наблюдении в течении 240 ч.
Содержание МТ, мкг/г y = 132,54Ln(x) + 29, * 300 R2 = 0,8852 * * 250 * * 100 * 1 3 24 72 120 168 Время, ч Рис. 7. Динамика удельного содержания МТ в печени мышей после введения раствора CdCl2 подкожно:
1 – контроль, 2 – CdCl2 в концентрации 1 мг/кг * Отличие от контроля достоверно, p0,05.
Установленная зависимость уровня МТ в печени мышей от времени в течение 240 ч позволяет детектировать воздействие ТМ на организм животного, а участие МТ в снижении окислительного стресса делает этот показатель биомаркером эффекта при действии ионизирующего излучения.
В табл. 3 представлены данные о количестве МТ в печени мышей после однократного острого облучения в дозах 9 Гр (ЛД50/30) через 43 ч. Видно, что удельное содержание МТ в печени мышей увеличивается примерно в 1,53 раза при данных условиях облучения, что согласуется с результатами, полученными на других видах млекопитающих (Котеров, Филиппович, 1995;
Котеров и др., 1997).
Таблица 3. Удельное содержание МТ в печени мышей при действии хлорида кадмия и -излучения Концентрация Доза, CdCl2, мг/кг Содержание МТ в печени мышей, Гр массы мкг/г Мыши Контроль Опыт 220,2±35,4* 1 0 23,4±3, 34,2±5,8* 0 9 22,3±2, 66,9±18,1* 1 9 21,8±3, * Отличие от контроля достоверно, р0,05.
Сочетанное действие Сd и -излучения привело к антагонистическому эффекту (Кw=0,2-1 мгСd/кг +, 9 Гр), что свидетельствует в пользу МТ как биомаркеров эффекта и воздействия.
Многочисленными экспериментальными данными установлено, что степень проявления синергического или антагонистического взаимодействия зависит от соотношения доз и концентрации воздействующих агентов. Увеличение или уменьшение дозы ионизирующего излучения по сравнению с оптимальным приводит к уменьшению синергизма. Биоиндикация сочетанного эффекта является важнейшей проблемой современной экологии. Данные, представленные в табл. 3, еще раз доказывают, что синергический характер взаимодействия наблюдается не при любых условиях воздействия. Независимо от природы действующих агентов и анализируемого биологического объекта синергизм максимален при одновременных и одинаково соотносящихся «дозах» воздействия.
Уровень МТ как биомаркер позволил выявить эту закономерность и оценить эффект воздействия.
Таким образом, сопоставление результатов, приведенных в этом разделе, прямо указывает на то, что индукция синтеза белков-МТ включена в общий механизм антиоксидантной защиты организмов.
Поэтому можно предположить, что индукция МТ является генетически детерминированным эволюционно сложившимся процессом, который может быть использован как биомаркер эффекта и воздействия ионов ТМ и ионизирующего излучения на растительные и животные организмы.
Во второй главе «Уровень МТ как показатель развития окислительного стресса при развитии опухолевого процесса» проведен анализ результатов исследования корреляции между уровнем МТ и развитием опухолевого процесса. Для перевивки асцитного варианта опухоли Эрлиха опухолевые клетки (асцит 8-9 дневного роста в объеме 0,2 мл, содержащий (1,5-2,5)107 клеток) вводили животным в брюшную полость. Клетки костного мозга выделяли из бедренной кости мыши, промывая содержимое кости 1 мл физиологического раствора. Затем проводили подсчет клеток в камере Горяева. Материал готовили к анализу, и определение уровня МТ в печени и опухолевых клетках мышей проводилось радиохимическим методом согласно методике, описанной в работе (Eaton, 1982) с небольшой модификацией (Данилин, 2004).
На рис. 8 представлены данные об увеличении числа опухолевых клеток после ее перевивки мышам, а также содержание МТ в опухолевых клетках в пересчете на мышь. В результате установлено, что при развитии опухолевого процесса количество МТ в клетках у мышей-опухоленосителей растет пропорционально увеличению числа клеток опухоли. Максимум содержания МТ достигается на 7 сут, одновременно замедляется рост числа опухолевых клеток.
0, Содержание МТ, мкг/ 7сут 0, 10 сут 0,6 9 сут 11 сут 0,5 6сут 0, 0,3 4сут 0, 0, 2,8 5,5 7,3 7,5 8,2 Количество опухолевых клеток, Рис. 8. Изменение удельного содержания МТ в опухолевых клетках в зависимости от числа клеток асцитной карциномы Эрлиха Установлено, что одновременно с ростом опухоли уменьшается количество клеток костного мозга мышей. Было отмечено, что снижению количества клеток костного мозга соответствует накопление МТ в этих клетках (табл. 4).
Таблица 4. Количество клеток костного мозга и содержание МТ в клетках костного мозга при развитии опухолевого процесса у мышей на 7 сут Группа животных Количество клеток Содержание МТ, костного мозга, 106 мкг/106 клеток Контроль 38,6±1,6 5,2±0, Мыши 27,8±2,3* 8,4±0,7* опухоленосители * Отличие от контроля достоверно, при p0,05.
Одновременно определяли содержание МТ в клетках печени.
Установлено, что в нормальных клетках печени здоровых мышей удельное содержание МТ не изменяется с течением времени и составляет 10,0±1,2 мкг/г. Однако, если у животных развивается опухолевый процесс, то в клетках печени, которые не переродились в опухолевые, также отмечается динамика увеличения удельного содержания МТ.
Стимуляция синтеза МТ путем подкожной инъекции ионов кадмия мышам-опухоленосителям приводило к защите клеток костного мозга и сохранения их количества на уровне контроля (см.
табл. 5).
Таблица 5. Влияние индукции синтеза МТ на восстановление клеток костного мозга на 7 сут развития опухолевого процесса Группа животных Количество Содержание Содержание МТ, мкг/ клеток МТ, мкг/г костного клеток печени мозга, 106 костного мозга Контроль 10,0±1, 38,6±1,6 5,2±0, Мыши 48±2,2* 27,8±2,3* 8,4±0,7* опухоленосители Мыши опухоленосители 37,7±2,1 12,3±1,7* 387±8,8* ионов (введение Cd) * Отличие от контроля достоверно, при p0,05.
Установлено, что в начальный период в опухоли (асцит Эрлиха), в селезенке и в крови животного-опухоленосителя происходит увеличение концентрации свободных радикалов, а в печени – уменьшение этой концентрации (Козлов, 1968). Полученные в работе данные подтверждают гипотезу участия белков-МТ в качестве противоопухолевого агента при развитии окислительного стресса, вызванного опухолевым процессом. Вероятно, что благодаря синтезу МТ восстанавливается антиоксидантный статус организма опухоленостителя, и в тоже время уровень МТ является биомаркером, указывающим на уровень развития опухолевого процесса, т.е. является биомаркером характера свободнорадикальных процессов в ткани животного с привитой опухолью.
Третья глава «Анализ участия белков-МТ в увеличении выживаемости организмов при действии ионов тяжелых металлов и излучения» посвящена анализу антистрессорных свойств МТ и увеличению устойчивости (выживаемости) организмов (растений, животных и беспозвоночных животных). В качестве показателя устойчивости организма к токсическому воздействию выбрана выживаемость (для мышей), энергия прорастания (для ячменя) и фильтрующая способность (для моллюсков). Для классификации эффектов комбинированного действия использовался коэффициент взаимодействия Кw, который определяется как отношение инкремента ответной реакции системы на комбинированное действие к сумме инкрементов эффекта при раздельном действии каждого из факторов.
При этом, если Кw1, то результат комбинированного действия классифицируют как аддитивный;
если Кw1, то имеет место антагонизм;
если Кw1, то эффект комбинированного действия классифицируется как синергический.
Беспозвоночные животные (моллюски) Для исследования взаимосвязи между содержанием МТ в органах и ткани моллюсков и физиологическими характеристиками было рассмотрено комбинированное действие ионов Cd в сочетании с -излучением. Так как в диапазоне от 25 до 150 Гр увеличения МТ не наблюдалось, в качестве исследуемой дозы было выбрано 25 Гр. Из табл. 7 видно, что -облучение в дозе 25 Гр приводило к достоверному повышению уровня МТ в жабрах. Однако, если облучению предшествовало содержание моллюсков в воде с 0,2 мг/л хлорида кадмия (что само по себе также приводит к достоверному увеличению содержания МТ в жабрах в 2,48 раза), то уровень МТ превышал контроль в 8,3 раза. Исследование проводилось на 8 сут для концентрации ионов Cd 0,2 мг/л, т.к. именно начиная с этого момента времени при инкубации с кадмием уровень МТ в ткани моллюсков становится сравнимым с удельным содержанием МТ при -излучении (4,8±0,7).
Таблица 6. Уровень МТ и фильтрационная активность моллюсков на сут при раздельном и сочетанном действии ионов Cd и -излучения Воздействие Доза/концентрация Удельное Фильтрующая содержание активность, % МТ, мкг/г Контроль - 2,54±0,8 0,2 мг/л 5,6±0,5* 90± Сd 1 мг/л 13,6±2,3* 84± -излучение 25 Гр 4,8±0,7* 87± Сd + 0,2 мг/л+25 Гр 19,5±1,4* 76±6** -излучение *Отличие от контроля достоверно, р0,05.
** Отличие от 100% достоверно, р0,05.
Расчет значения коэффициента взаимодействия и проверка значимости его отличия от единицы позволяют утверждать, что в данном случае наблюдался достоверный синергический эффект:
Кw=3,50, р0,05. Изменение выживаемости и фильтрующей способности моллюсков определяли по замутненности окрашенной тушью воды: вода с тушью обесцвечивалась моллюском вне зависимости от полученной дозы. За 100% было взято расстояние от шрифта 3,5 мм, на котором этот шрифт можно прочесть после фильтрации воды моллюсками из контроля (табл. 6). Показано, что фильтрующая способность уменьшается при комбинированном действии -излучения и Cd, что характеризует данный показатель как информативный биоиндикатор физиологического состояния моллюсков.
Установлено влияние на выживаемость D. polymorpha (рис. 9) содержания в воде Pb2+ (0,03 мг/л), Zn2+ (1,0 мг/л), Cd2+ (0,001 мг/л), Cu2+ (1,0 мг/л), что составляет 1 ПДК для водоемов хозяйственно бытового назначения, и 5 ПДКр.х (Pb2+), 100 ПДКр.х. (Zn2+), 0, ПДКр.х. (Cd2+), 100 ПДКр.х. (Cu2+) для водоемов рыбо-хозяйственного назначения. На 9 сут эксперимента в опыте при раздельном введении Cu2+, Zn2+, Pb2+ и Cd2+ выживаемость снижается соответственно на 17, 15, 12 и 2% соответственно по сравнению с контролем.
Pb 80 Zn выживаемость, % Cd Cu К 0 3 6 9 12 15 18 время, сутки Рис. 9. Выживаемость моллюсков D. polymorpha в опытах при раздельном содержании в воде Pb2+, Zn 2+, Cd2+ и Cu2+ (мг/л) На 21 сут эксперимента в опытах с Cu2+, Zn2+, Pb2+ и Cd2+ выживаемость D. polymorpha понизилась на 72, 25, 17 и 7% соответственно по сравнению с контролем, а на 9 сут – понизилась соответственно на 55, 10, 5 и 5% по сравнению с контролем.
Измерение удельного содержания МТ в моллюсках на 9 сут показало достоверное увеличение уровня МТ в 2,5 раза по сравнению с контролем (рис. 10).
На практике выполнение радиоэкологических оценок для каждого вида из множества видов, населяющих природные экосистемы, крайне затруднительно. Эта проблема может быть решена путем рассмотрения ограниченного набора типичных организмов для заданной географической зоны, которые могут использоваться как представительные (референтные) организмы в радиоэкологических исследованиях. Для выбора референтных организмов учитываются следующие критерии (MARINA II, 2002;
EPIC, 2001, 2003;
Sazykina et.
al., 2002): положение в экосистеме, доступность для мониторинга, критические пути облучения, радиочувствительность, способность вида к самовосстановлению.
* * Содержание МТ, мкг/г * * контроль 1 2 3 Рис. 10. Удельное содержание МТ в теле D. polymorpha через 9 сут содержания в воде с ионами ТМ: 1 – Cd2+ (0,001 мг/л), – Zn2+ (1,0 мг/л), 3 – Cu2+ (1,0 мг/л), 4 – Pb2+ (0,03 мг/л) *Отличие от контроля достоверно, при p0,05.
Выбор референтных организмов остается достаточно трудной задачей. МТ, индуцирующиеся в организмах с разным уровнем биологической организации (моллюски, растения, мыши), позволяют провести сравнение между выбранными референтными организмами с позиции окислительного стресса. Например, измерение МТ в ткани мышей позволит установить пути распространения воздействия ТМ и радионуклидов при загрязнении водной экосистемы. Доказательства возможности применения МТ как биомаркеров воздействия при контакте с ионизирующим излучением и ТМ представлены ниже.
Животные (мыши). Результаты наших экспериментов показывают, что четырехкратное подкожное введение раствора CdCl перед -облучением в дозе 9 Гр вызывает радиопротекторный эффект.
К 14-ым сут темпы снижения выживаемости замедляются, а к 19-ым сут выживаемость выходит на плато – достигает 40% – и более не изменяется (рис. 11). Наблюдаемое увеличение выживаемости, вероятно, связано с увеличением уровня МТ в костном мозге, а также в печени мышей при действии ионов Cd. Подобная связь, выраженная значительно слабее по сравнению с костным мозгом мышей, была показана в работе (Котеров и др., 1993). Установленное нами увеличение содержания МТ в 3 раза (66,9±18,1 мкг/г) по сравнению с контролем коррелирует с увеличением выживаемости мышей на 40%, обусловлено радиопротекторными свойствами МТ.
Выживаемость, % 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 время,сут Рис. 11. Выживаемость мышей при -облучении и последовательной обработке раствором CdCl2 и -излучением.1 – -облучение в дозе 9 Гр, 2 – последовательная обработка раствором CdCl2 и -излучением Из данных представленных на рис. 9 и табл. 4 видно, что выживаемость как параметр биотестирования не дает информации о наличии повреждающего фактора и о факте контакта с ионизирующим излучением даже при дозе 1,5 ЛД 50/30. Начиная с 9 сут возможно детектировать гибель мышей при воздействии -излучением. Уровень МТ как биомаркер уже с первых часов информирует о наличии воздействия как при раздельном, так и при сочетанном действии. Этот факт важен для принятия контрмер по предотвращению гибели видов, населяющих экосистемы.
В качестве референтных организмов могут быть использованы растения. Результаты исследований синтеза белков МТ-подобных белков как биомаркеров воздействия и эффекта приведены ниже.
Растения (ячмень). В табл. 7 представлены оцененные методом радиоактивных индикаторов значения удельного содержания МТ корешках проростков ячменя при раздельном и комбинированном действии кадмия и -излучения, из которых следует, что удельное содержание МТ достоверно увеличивается при всех изученных видах воздействия. При совместном воздействии ионов Cd и ионизирующего излучения уровень МТ оказался ниже ожидаемого из модели аддитивного сложения эффектов. Расчет коэффициента взаимодействия показал, что в данном случае имеет место антагонизм:
Kw=0,44, p0,05. Антагонистический характер эффекта обусловлен существенным снижением индуцированного в условиях комбинированного действия уровня МТ по сравнению с действием одного кадмия.
Таблица 7. Удельное содержание МТ в корешках ячменя Воздействие Энергия Удельное прорастания, содержание МТ, -излучение % мкг/г сухой массы Cd 0 0 11,7±3,2 97,.5±2, 360,1±192,7* 1Мм 0 64,7±3,7* 29,7±8,8* 0 75 cГр 93,4±2,8* 170,5±82,8* 1мМ 75 cГр 78,6±2,2* *Отличие от контроля достоверно, p0,05.
Одновременно наблюдается тенденция к увеличению энергии прорастания при сочетанном действии ионов Cd и -излучения.
Представленный материал указывает на способность МТ эффективно защищать организм животных и растений от окислительного стресса, вызванного воздействием ионов ТМ и ионизирующим излучением.
Защитное действие МТ обусловлено как наличием в структуре МТ SH групп, так и через модификацию активности процессов перекисного окисления. Таким образом, предварительная стимуляция синтеза МТ обеспечивает повышение устойчивости организма к воздействию такого повреждающего фактора как ионизирующее излучение, явно вызывающее окислительный стресс. Измерение уровня МТ на разных трофических уровнях экосистем позволит детектировать распространение воздействия ТМ и ионизирующего излучения, будет способствовать выбору референтных организмов и принятию контрмер по минимизации эффекта от поллютантов.
В четвертой главе «МТ как биомаркеры действия ТМ и ионизирующего излучения на экосистемы» представлены научно практические методы оценки состояния водоемов, загрязненных ТМ.
В первом разделе четвертой главы «Уровень МТ в органах и ткани моллюсков как индикатор антропогенного загрязнения водоема» приводится обоснование выбора моллюсков в качестве референтных видов. Приводятся данные по содержанию МТ в различных тканях и органах двустворчатых моллюсков: беззубки (Anodonta sp.), перловицы (Unio sp.), отловленных летом в р. Протве (г.
Обнинск, Калужская обл.), оз. Огублянка (г. Жуков, Калужская обл.);
дрейссены D. polymorpha в оз. Форелевое (Калининградская обл), катушки (Planorbarius sp.) и прудовика (Lymnaea sp.) в Белкинских прудах (г. Обнинск, Калужская обл.).
В рамках полевых экспериментов было исследовано качество воды в р. Протве (рис. 12) с помощью биотического индекса (Вудивисс, 1977) и установлено, что качество воды в местах отбора проб изменяется от III класса (умеренно загрязненная) до II (чистая).
Рис. 12. Схема отбора проб моллюсков р. Протва (г. Обнинск, Калужская обл.). Примечание: точка 3 находится в 200 метрах вниз по течению реки.
Удельное содержание МТ в ткани моллюсков отразило изменение качества воды, что дало основание судить об эффективности данного показателя для оценки экологической обстановки (табл. 8).
Таблица 8. Динамика удельного содержания МТ в ткани моллюсков (Anodonta sp.) в зависимости от класса качества воды Класс качества воды в местах Удельное содержание МТ у беззубки (Anodonta отбора проб sp.), мкг/г моллюсков Октябрь Ноябрь Декабрь II класс 1,75±0,22 1,50±0,30 1,23±0, 8,64±1,16* III класс 2,52±0,48 1,56±0, II класс 1,40±0,38 2,20±0,30 1,30±0, * Отличие от контроля достоверно, p0,05.
Аналогичные данные (рис. 13) получены нами и на моллюсках катушка (Planorbarius sp.) и прудовик (Lymnaea sp.).
* * МТ, мкг/г II(чистая) III(умеренное IV(сильное загрязнение) загрязнение) класс качества воды Рис. 13. Изменение удельного содержания МТ у Planorbarius sp.в зависимости от класса качества воды по индексу Вудивисса.
* Отличие достоверно по сравнению с данными по содержанию МТ у моллюсков при II классе качества воды, p0,05.
Изменение класса качества воды за период наблюдения с II (чистая) до IV (сильное загрязнение) объясняется сезонным загрязнением водоема, находящегося в городской черте г. Обнинска (Калужская обл.), а именно связано с увеличением дождевого стока в пруд с автостоянки и оживленной автомагистрали в черте города, содержащего ионы Pb и другие поллютанты. Отметим, что моллюски являются видами-индикаторами II –IV класса воды, т.е. моллюски не живут в абсолютно чистой и грязной воде. Дальнейшее исследование этого водоема показало, что уровень МТ снижается при уменьшении загрязнения воды в водоеме.
Эффективность применения уровня МТ как биомаркера воздействия и эффекта при выполнении экологического мониторинга наглядно иллюстрирует рис. 14. Установлено, что уровень МТ в ткани моллюска D. Polymorpha не только коррелирует с классом качества воды, но и реагирует на увеличение содержания ТМ в воде.
Cd=0,0025 ± 0, Cu=0,0008 ± 0, Pb=0,002 ± 0, 35 Zn=0,00539 ± 0, 30 * 25 Cd=0,0006 ± 0,0001 Cd=0,0013 ± 0, Сd=0,0007 ± 0,0002 Cu=0,032 ± 0,008 Cu=0,04 ± 0, М Т, мкг/г 20 Pb=0,01 ± 0,001 Pb=0,039 ± 0, Cu=0,021 ± 0, Zn=0,0183 ± 0,0085 Zn=0,02 ± 0, Cu=0,013 ± 0, 15 Zn=0,0224 ± 0, II(чистая) III(умеренное III(умеренное IV(сильное загрязнение) загрязнение) загрязнение) класс качества воды Рис. 14. Сезонные изменения содержания МТ в теле D. Polymorpha.
* Отличие достоверно по сравнению с уровнем МТ для II класса качества воды, p0,05.
Лабораторные и полевые исследования показали, что положительная корреляция (R=0,9305) имеет место между содержанием МТ в органах и ткани моллюска и содержанием ионов Cd в воде.
Анализ литературных и представленных в диссертации экспериментальных данных свидетельствует об эффективности использования удельного содержания МТ в качестве биоиндикационного параметра в программах биологического мониторинга антропогенно-загрязненных территорий.
Для оценки повреждающего действия ТМ и ионизирующего излучения, поступающих в водные экосистемы, предложено использовать следующую числовую характеристику:
IBTmt = Cmti-Сmt0i/Сmt0i, где IBTmt - индекс биологической токсичности ТМ;
Сmti - концентрация МТ в ткани референтного организма;
Сmt0i - концентрация МТ в ткани референтного организма при отсутствии воздействия ТМ и ионизирующего излучения (контроль).
Согласно полевым исследованиям и считая моллюсков референтными организмами можно утверждать следующее: IBTmt=0 – отсутствие изменения свободнорадикальных реакций, обусловленных действием ионизирующего излучения и ионов ТМ;
IBTmt0 – выраженное действие ионов ТМ и ионизирующего излучения, формирование свободнорадикальных состояний.
Специфичность индукции МТ на действие ТМ позволит вычленить и оценить эффект загрязнения водоема исключительно ТМ, что может стать эффективным инструментом для экологического нормирования содержания ТМ в воде.
В настоящее время для осуществления принципов радиационной и химической безопасности экосистем преимущественно используются гигиенические критерии радиационной и химической защиты, ориентированные на безопасность человека. В основе данного подхода заложено мнение, согласно которому экологическая безопасность людей будет достаточной и для защиты других видов организмов.
Ограниченное применение экологического нормирования, в том числе и радиоэкологического нормирования, в настоящее время обусловлено отсутствием критериев и методики оценки воздействия радиационных и химических факторов применительно к различным организмам и типам экосистем. В качестве единого критерия может выступать коэффициент риска для референтного вида экосистемы R=n/N, где n – количество особей референтного вида с единицы исследуемой площади [км2] с IBTmt0;
N – общее количество исследованных особей референтного вида с единицы исследуемой площади. Чем больше стремится к 1 коэффициент риска, тем тяжелее последствия для экосистемы, тем сильнее пострадали организмы референтного вида. Произведение коэффициента риска на общую численность референтного вида позволит получить количество особей, находящихся в состоянии формирования окислительного стресса, обусловленного действием ионов ТМ и ионизирующего излучения.
Оценив репрезентативность выборки организмов доминантного вида возможно проведение пролонгированных исследований влияния действия ионов ТМ и ионизирующего излучения на экосистему и оценка эффективности принятия контрмер по локализации и/или удалению источника загрязнения.
Преимуществами удельного содержания МТ в органах и тканях организмов животных и растений в качестве биохимического показателя являются возможность использования его для установления характера взаимодействия поллютанта с организмом биоиндикатором (синергизм, антогонизм, аддитивное сложение), определение эффективной концентрации ТМ, возможность количественной оценки вклада каждого из ионов ТМ (Cd, Cu или Zn) при их совместном действии, выявление референтных организмов и референтных биохимических показателей.
Участие белков-МТ в механизме повышения устойчивости животных и растений при действии экзо- и эндоэкологических факторов, провоцирующих развитие окислительного стресса, определило целесообразность проведения исследования влияния предварительного увеличения уровня МТ в ткани Eichhornia crassipes в процессе доочистки сточных вод, проводимой на объектах «Мосводостока» согласно техническому регламенту (патент RU 2259961 от 31.08.2004 г.).
Во второй части настоящей главы «Анализ эффективности предварительной стимуляции синтеза МТ при фиторемедиации для снижения уровня канцерогенного и неканцерогенного риска ТМ» приводятся данные по практическому применению защитных свойств МТ при фиторемедиации загрязненных территорий.
Развитие техносферы сопровождается интенсивным поступлением в природную среду различных загрязняющих веществ.
В почву и воду, начальные звенья пищевых цепей, поступают ТМ. Это вызывает серьезные нарушения у растительных и животных организмов на уровне клетки, ткани, организма, популяции.
Культивирование растений вблизи крупных городов проводится на почвах сильно, загрязненных ТМ. Самоочищение почв от этих поллютантов либо совсем не происходит, либо протекает очень медленно. Остро встает вопрос о рекультивации почв и очистке сточных вод. Одним из методов является фиторемедиация – удаление поллютантов с помощью растений. При фиторемедиации ТМ, поступающие в растения, удаляются с их биомассой. Для повышения эффективности фиторемедиации предлагается применять предварительную стимуляцию синтеза белков-МТ, а в перспективе получить генетически модифицированные формы растений, способные поддерживать высокий уровень МТ.
В животной и растительной клетке ионы таких металлов, как Cu2+ и Zn2+, являются естественными элементами, принимающими участие в окислительно-востановительных реакциях, переносе электронов, катализе биохимических реакций, в метаболизме нуклеиновых кислот. В то же время повышенные концентрации ионов этих металлов способны оказывать значительное токсическое действие на сообщества водных организмов, приводя к значительному снижению выживаемости. Поэтому возникает вопрос: как с помощью растений можно регулировать концентрацию этих ТМ таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить оптимальные условия для протекания метаболических процессов, а, с другой стороны, оградить себя от отравления ТМ?
Решение этой задачи в растениях обеспечивается системой специфических механизмов, с помощью которых ТМ трансформируются в физиологически толерантные формы. Избыток ионов металлов, не участвующих в метаболизме, активирует механизмы их связывания и выведения за пределы клетки и организма.
Реализация этой задачи в растительной клетке осуществляется с помощью МТ.
Среди водных растений – водный гиацинт, эйхорния (Eichhornia crassipes) является одним из перспективных для фиторемедиации территории загрязненных ТМ. В работах (Dasgupta, Singh, 1984;
Ding et al., 1984;
Sanita di Toppi et al., 2007) показано, что культивирование растения водного гиацинта в воде, содержащей ионы Zn, Cr, Cu, Cd, Fe, приводит к их накоплению в корнях и листьях.
Таким образом, водный гиацинт становится своеобразным биофильтром для ТМ.
Водный гиацинт как и другие растения способен увеличивать синтез белков антиоксидантной защиты при действии ионов ТМ.
Например, при действии ионов Cd в концентрации 25 мкМ и 100 мкМ на растения водного гиацинта в течении 21 сут уровень глутатиона и РС увеличивается (Sanita di Toppi et al., 2007). Воздействие Cd ( мкМ) приводило к увеличению SH-групп МТ-подобных соединений (Ding, 1994).
Одной из задач данной работы являлась оценка эффективности доочистки городских дождевых сточных вод от ТМ водным гиацинтом с повышенным уровнем МТ. Для решения поставленной задачи были проведены эксперименты по удалению ионов Zn из водной среды, с предварительной стимуляцией синтеза МТ (рис. 15, 16).
В результате предварительной индукции МТ ионами Cd в концентрации 1 мМ установлена динамика поглощения ионов цинка.
Выбор концентрации обусловлен результатами, опубликованными в работах (Sanita di Toppi et al., 2007;
Grill et al, 1987), в которых показана способность Eichhornia crassipes синтезировать PC при действии ионов Cd, а также данными (Rozentsvet et al., 2003), где концентрация кадмия в диапазоне 0-1000 мкМ может вызывать повышение уровня общего белка ткани водного растения (Potamogeton perfoliatus. L.), причем на 20% это повышение обусловлено синтезом PC. (Gupta, et al, 1995).
Концентрация Zn в воде, мг/л 0, 0, 0,39 растения без * прединдукции МТ 0, * растения с * * прединдукцией МТ 0, 0, 0, 0 6 12 24 30 Время, ч Рис. 15. Динамика поглощения ионов цинка растениями водного гиацинта. * Отличие достоверно, p0,05.
отношению к контролю Количество МТ в % по y = -0,0723x 2 + 5,1616x + 112, R2 = 0, 0 10 20 30 Время,ч Рис. 16. Индукция МТ-подобных соединений в корнях эйхорнии Eichhornia crassipes.
На основании приведенных выше результатов экспериментов и опытов по предварительной индукции МТ (Grill et al. 1985;
Rauser, 1990, 1995;
Howden and Cobbet, 1992;
Howden et al., 1995) можно предположить, что создание растений с повышенным уровнем МТ подобных белков методами генной инженерии послужит толчком к созданию устойчивых к ионам ТМ растений и внедрению в практику природопользования гидроботанической очистки сточных вод, содержащих повышенные концентрации ионов ТМ.
В пятой главе «Влияние прединдукции синтеза МТ в ткани Eichhornia crassipes на эффективность фиторемедиации ионов тяжелых металлов» для исследования эффективности фиторемедиации с использованием растений с повышенным уровнем МТ-подобных белков были выбраны два объекта «Мосводостока» с одинаковым уровнем загрязненности сточных вод ТМ. Объект пруд-отстойник «Богатырское-2» являлся контрольным, а объект пруд-отстойник «Бутово» опытным.
Для увеличения уровня МТ в ткани эйхорнии Eichhornia crassipes рассаду для экспериментального пруда-отстойника (ПО) подвергали предварительной обработке растворами с концентрацией ионов Сd (2 мкг/мл) в течение 7 сут. Концентрации ТМ подобраны в предварительных опытах. Данная обработка приводила к увеличению содержания МТ-подобных белков в корневой и листовой ткани. Затем растения переносили в чистую воду для удаления следов ионов Сd.
В процессе вегетации через 30 сут 10% от разросшейся массы водного гиацинта (1-2 розетки водного гиацинта с 1 м2) отбирали и вновь выдерживали в течении 7 сут в указанных растворах. Затем рассаду переносили в ПО и следили за эффективностью очистки (табл.
9).
Сопоставление результатов проведенной доочистки водным гиацинтом «до и после» свидетельствует об эффективности доочистки вод эйхорнией Eichhornia crassipes с прединдукцией МТ. Однако, диапазон концентраций, в пределах которых производится доочистка, находится значительно ниже ПДК для вод хозяйственно-бытового и рыбо-хозяйственного назначения. Таким образом, производственно ресурсные нормативы не нарушены изначально, что делает сравнение концентраций мало информативным. Поэтому при анализе эффективности очистки взята методика оценки риска для здоровья человека при потреблении воды с данным содержанием ТМ.
Таблица 9. Концентрация, мг/л, ионов Сu, Zn и Pb в водовыпуске прудов-отстойников после доочистки дождевых стоков на 1 и 60 сут с момента высадки Eichhornia crassipes ПО Zn Pb Cu 1 сут 60 сут 1 сут 60 сут 1 сут 60 сут Контроль 0,077 0,062 0,008 0,002 0,006 0, Опыт 0,089 0,021 0,009 0,001 0,004 0, При расчете потенциального канцерогенного риска использовался подход Американского агентства по охране окружающей среды (EPA US) (Duffus, Park, 1999;
Сынзыныс и др., 2005) и использовали линейную модель:
Risk=UR* ADD Risk – риск возникновения неблагоприятного эффекта, определяемый как вероятность возникновения этого эффекта при заданных условиях;
ADD – среднесуточная доза;
ADD=(C*CR*ED*EF)/(BW*AT*365) где C – концентрация вещества в среде обитания, мг/л;
СR – скорость поступления (количество потребляемой питьевой воды, л/сут);
EF – частота воздействия, сут/год (при расчетах EF=365);
ED – продолжительность воздействия, год;
BW – масса тела человека, кг;
АТ – период усреднения экспозиции, лет (при расчетах AT=ЕD, год);
365 – число дней в году.
UR – единичный риск, определяемый как фактор пропорции роста риска в зависимости от величины действующей концентрации (дозы).
Из официальных материалов ЕРА, доступных в Интернете, была использована величина для расчета потенциального канцерогенного риска UR для Pb, которая составляла 0,0085 (мг/кг сут)-1 (www.scorecard.org).
Оценка потенциального неканцерогенного риска проводилась через вычисление коэффициента опасности (НQ) для неканцерогенов.
HQ=ADD/RFD где ADD – уровень поглощения или экспозиция;
RFD – референтная (базовая) концентрация, при действии которой на человеческую популяцию, включая ее чувствительные подгруппы, не создается риск развития каких-либо уловимых вредных эффектов в течении всего периода жизни;
HQ – коэффициент опасности для неканцерогенных эффектов;
чем больше величина НQ превосходит единицу, тем более значительную опасность может представлять анализируемое воздействие (Швыряев, Меньшиков, 2004).
Расчет дозы поступившего с питьевой водой ТМ проводился из расчета, что ежедневное потребление питьевой воды составляет л/сут, а масса тела – 70 кг.
Результаты расчета коэффициента опасности для неканцерогенных эффектов и величины потенциального канцерогенного риска представлены в табл. 10 и табл. 11.
Таблица 10. Изменение величины риска возникновения канцерогенных эффектов (RISK), вызванного присутствием в воде ионов Pb в процессе доочистки сточных вод в случае использования воды для питьевого водоснабжения на 1 и 60 сут с момента высадки Eichhornia crassipes RISK (Pb) 10- ПО 1 сут 60 сут Контроль 291 Опыт 327 Таблица 11. Индекс опасности (НI) комплексного воздействия ионов Zn, Cu и Pb при пероральном поступлении с водопроводной водой на и 60 сут с момента высадки Eichhornia crassipes HI (Zn) HI (Cu) HI (Pb) ПО 1 сут 60 сут 1 сут 60 сут 1 сут 60 сут Контроль 0,011 0,008 0,013 0,012 4,3 1, Опыт 0,012 0,003 0,008 0,004 4,9 0, Анализируя данные расчетов риска (табл. 10, 11), можно утверждать, что в результате проведенной обработки водного гиацинта удалось снизить потенциальный канцерогенный риск, вызванный загрязнением вод ионами ТМ в 2,2 раза. Снижен риск проявления неканцерогенных эффектов от 2 до 32 раз. Этот риск был снижен за сут культивирования водного гиацинта.
Рассчитывая риск, было сделано предположение, что сброс воды дождевой канализации попадает в систему питьевого водоснабжения.
В реальной ситуации безусловно вода будет разбавлена водами принимающего водоема, концентрация ТМ будет снижена, часть ионов металлов будет аккумулирована водными организмами и депонирована в ил. Эти процессы обуславливают соблюдение нормативов для питьевой воды на уровне СанПиН 2.1.4.1074-01, cогласно которым содержание ионов ТМ не должно превышать по Pb 0,03 мг/л, Cu – 1 мг/л, Zn – 1 мг/л;
эти концентрации значительно выше тех, которые содержатся в сбросной воде ливневых вод. Однако, как показывают наши вычисления риска, даже эти незначительные концентрации могут вызывать дополнительные случай раковых заболеваний (в случае с ионами Pb), и примененный гидроботанический метод становится эффективным средством для снижения потенциального канцерогенного риска, вызванного ионами ТМ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В качестве единого подхода для экологического нормирования предлагается использовать реакцию организма на окислительный стресс, вызываемый ионизирующим излучением, ТМ и опухолевым ростом, сопряженный с синтезом антиоксидантов, ингибиторов свободнорадикальных реакций, веществ, во многом определяющих радиочувствительность организма, а именно белков-МТ.
Анализ закономерности индукции синтеза МТ в органах и тканях представителей разных царств животных и растений беспозвоночные (моллюски), животные (мыши), растения (ячмень) при действии эндогенных и экзогенных факторов - опухолевый рост, ионизирующее излучение и действие ионов ТМ - позволяет предложить подход к оценке устойчивости экосистемы. В основе предлагаемого подхода заложен индекс биологической токсичности IBTmt, необходимый для качественного разграничения организмов референтного вида на группы, испытывающие и не испытывающие состояние окислительного стресса. Последующий расчет коэффициента риска R позволит оценить вероятность проявления неблагоприятных эффектов, обусловленных свободнорадикальными реакциями в ткани организма референтного вида, и интерпретировать последствия для популяции и экосистемы в целом.
На следующем этапе работы было предложено использовать антиоксидантные свойства МТ для повышения фитоэкстракции ионов ТМ из воды. В результате установлено, что доочистка водным гиацинтом Eichhornia crassipes позволяет достигнуть уровня приемлемого риска, а предварительная стимуляция синтеза МТ в корневой меристеме делает этот процесс более эффективным в 2 раза.
Анализ вероятности возникновения неканцерогенных эффектов, обусловленных содержанием в воде ионов Zn и Сu, не вызывает беспокойства, поскольку коэффициенты опасности намного ниже 1, величины, которая определяет некий приемлемый уровень риска возникновения неканцерогенных эффектов. Исключение составляет неканцерогенный риск, обусловленный присутствием ионов Pb в воде. Этот риск, в среднем, в 4,5 раза превышает приемлемый, однако применение технологии доочистки сточных вод растениями эйхорнии с прединдукцией МТ позволило снизить вероятность неканцерогенных эффектов ниже приемлемого уровня.
Выводы Исследованы общие закономерности индукции синтеза белков 1.
– металлотионеинов на организмах с различным уровнем биологической организации (растения, беспозвоночные и позвоночные животные) при сочетанном и раздельном действии тяжелых металлов и -излучения.
Удельное содержание металлотионеинов увеличивается 2.
аддитивно (пропорционально дозе воздействия) в растительных клетках (ячмень – Hordeum vulgare L.), органах и тканях беспозвоночных (моллюски – Anodonta sp.), позвоночных животных (мыши – CBAC57Bl/6) при раздельном действии.
При сочетанном действии тяжелых металлов и -излучения 3.
наблюдается: эффект синергизма для беспозвоночных животных (моллюски – Anodonta sp.), антагонистическии эффект для растительных клеток (ячмень – Hordeum vulgare L.) и позвоночных животных (мыши - CBAC57Bl/6).
Прединдукция металлотионеинов в организмах при развитии 4.
опухолевого процесса обеспечивает сохранность клеток костного мозга и тормозит развитие злокачественных новообразований (на примере карциномы Эрлиха).
Обнаруженные антиоксидантные свойства металлотионеинов 5.
в экспериментах in vitro, участие металлотионеинов в увеличении выживаемости мышей при действии -излучения, сохранение физиологических показателей – энергия прорастания (ячмень) и фильтрационная активность (моллюски) при действии тяжелых металлов дает основание утверждать, что синтез металлотионеинов вероятно, является генетически детерминированным механизмом, защиты организмов от окислительного стресса.
Стимуляции синтеза металлотионеинов в растениях 6.
позволяет увеличить эффективность (Eichhornia crassipes) фитоэкстракции тяжелых металлов в городских сточных водах.
Сформулирован подход к экологическому нормированию и 7.
оценке влияния тяжелых металлов и ионизирующего излучения, основанный на формировании состояния окислительного стресса и сопутствующем этому состоянию изменению удельного содержания металлотионеинов как биомаркеров в органах и тканях организмов референтного вида.
Список работ по теме диссертации:
1.Данилин И.А., Сынзыныс Б.И., Ротт Г.М. Экологический мониторинг загрязнения водоемов тяжелыми металлами и радионуклидами по уровню белков - металлотионеинов в органах и тканях двустворчатых моллюсков // Ядерная энергетика. – Известия вузов. - № 6. - 1998.- С. 9-14.
2.Данилин И.А., Сынзыныс Б.И., Козьмин Г.В., Ротт Г.М Экспериментальное обоснование нового метода биотестирования пресноводных водоемов по содержанию белков - металлотионеинов в органах и тканях двустворчатых моллюсков // Экология.- № 5. - 2002. С. 383-386.
3.Данилин И.А., Дикарев В.Г., Гераськин С.А. Гамма-излучение увеличивает синтез фитохелатинов в проростках ярового ячменя // Радиационная биология. Радиоэкология..- т. 44.-№ 1. – 2004.- С.89-92.
4.Сморызанова О.А., Сынзыныс Б.И., Данилин И.А, Баранова О.А.
Содержание металлотионеинов в тканях и опухолях мышей при комбинированном действии кадмия и -излучения. Увеличение радиорезистентности мышей с повышенным уровнем металлотионеинов // Радиационная биология. Радиоэкология.- т. 44. № 2. - 2004.- С.179-182.
5.Данилин И.А., Павловская В.В. Залуцкая Е.А. Анализ содержания металлотионеинов у двустворчатых моллюсков разных видов, обитающих в водоемах с различной степенью антропогенной нагрузки Вестник РУДН. Серия экология и безопасность // жизнедеятельности.- №1 (13) – 2006. - С. 16-19.
И.А, Павловская В.В.. Удельное содержание 6.Данилин металлотионеинов в тканях моллюсков-биоиндикатор загрязнения водоема тяжелыми металлами // Вестник РУДН. Cерия – экология и безопасность жизнедеятельности. - №2.(14) -2006.- С. 87-92.
7.Данилин И.А., Сынзыныс, О.А. Сморызанова. Содержание белков металлотионеинов в опухолевых клетках, клетках костного мозга и печени мышей при развитии опухолевого процесса // Вестник РУДН.
Серия - экология и безопасность жизнедеятельности.- № 1 - 2007.- С.
91-95.
8.Данилин И.А. Модификация потенциального риска здоровья населения г. Москвы за счет уменьшения содержания тяжелых металлов в дождевых сточных водах // Вестник РУДН. Cерия – экология и безопасность жизнедеятельности.- № 3. - 2009. -С. 89-95.
9.Данилин И.А., Сынзыныс Б.И., Козлов Ю.П Металлотионеины как биомаркеры в практике экологического нормирования // Проблемы региональной экологии.- № 2. – 2009. – С. 107-112..
10.Данилин И.А. Снижение потенциального риска здоровья населения г. Москвы за счет уменьшения содержания тяжелых металлов в дождевых сточных водах // Экология урбанизированных территорий. № 2. - 2009. - С. 12- 11. Данилин И.А. Опыт применения Eichhornia crassipes для гидроботанической очистки сточных вод в г. Москве: проблемы и перспективы // Бюллетень МОИП, отдел биологический. Т. 114. выпуск 3. Приложение 1. - Часть 1. - 2009. - С. 236-244.
12. Данилин И.А., Сынзыныс Б.И., Козлов Ю.П. Фиторемедиация вод на городской станции водоочистки эйхорнии (Eichhornia crassipes) с прединдукцией синтеза металлотионеинов Экология и // промышленность России, ноябрь. – 2009. - С. 52-54.
13.Данилин И.А., Сынзыныс, Г.В. Козьмин Г.В., Ротт Г.М.
Синергический эффект синтеза белков-металлотионеинов у моллюсков Аnodonta sp. при комбинированном воздействии кадмия и гамма-облучения // В книге: Сочетанное действие факторов радиационной и нерадиационной природы на растительные и животные организмы. Тр. Института Биологии Коми НЦ УрО РАН.
Сыктывкар. – 2000. – С.54-62.
14.Данилин И.А., Павловская В.В./Экологические аспекты реакции моллюсков Dreisena polymorpha на действие тяжелых металлов // Экологическое состояние природной среды и научно-практические аспекты современных мелиоративных технологий: Сб. науч. Тр.
Вып.2/Под общ. Ред. Ю.А. Мажайского.- Рязань: Мещерский филиал ГНУ ВНИИГиМ. – 2006. – С.22- 15.Danilin I.A. Participation of metallothioneins in the development of response of plant and animal cells to the action of -radiation and cadmium ions // NewsLetter. – N 4. – 2004. – P. 13-14.
16. Удалова А.А., Гераськин С.А., Дикарев В.Г., Данилин И.А Дикарева Н.С., Васильев Д.В. Изучение закономерностей формирования цитогенетических и цитотоксических эффектов, а также индукции белков металлотионеинов при действии низких доз гамма излучения и низких концентраций кадмия//Отчет PФФИ грант №03 04- 17.Данилин И.А., Миронович В.Л., Сынзыныс Б.И. Анализ возрастной структуры популяции двустворчатых моллюсков для целей мониторинга реки Протва // Материалы Международного постоянно действующего научно-технического семинара “Экологическая безопасность регионов России”. Пенза. – 1998 С. 18.Danilin I.A., V.V.Pavlovskay Assessment of Metallothionein Concentration in Bivalve Molluscs Tissues to Monitor Freshwater Pollutionby heavy metals and radionuclides //|The 2nd International Conference on Radioactivity in the Environment &the; 6th International Conference on Environmental Radioactivity in the Arctic and the Antarctic 2-6 October 2005, Nice, France. – P.570-573.
19.Данилин И.А., Дикарев В.Г. Фитохелатины – биохимические маркеры антропогенного загрязнения // Тез. докл. Конференции “Радиация и биосфера”. Обнинск. – 2000. – С. 75-77.
20.Данилин И.А., Дикарев В.Г.Индукция синтеза фитохелатинов малыми дозами гамма-излучения и ионами кадмия/И.А.Данилин, В.Г.Дикарев // Тез. докл. IV Съезда по радиационным исследованиям.
Москва, Т. 2. – 2001. – С. 385.
21.Данилин И.А., Дикарев В.Г., Гераськин С.А., Сынзыныс Б.И./Уровень металлотионеинов в тканях животных и растений как перспективный маркер радиационного и химического воздействия // Тез. докл. VIII Российской научной конференции “Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях”.
Обнинск. – 2002. – С.380- 22.Данилин И.А., Дикарев, С.А. Гераськин, А.О. Репина Измерение уровня металлотионеинов для оценки воздействия тяжелых металлов на окружающую среду // Тез. докл. Международной конференции ”Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами”. Тула: ТулГУ. – 2003. – С. 9-11.
23.Данилин И.А, Различие содержания металлотионеинов у двустворчатых моллюсков разных видов // Тезисы докладов 9-я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых, Пущино 18-22 апреля. – 2005. – С.293.
24.Данилин И.А. Участие фитохелатинов в защите растительных клеток при действии -излучения и ионов кадмия // Тезисы докладов 9 я Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых, Пущино 18-22 апреля. – 2005. – С. 25.Данилин И.А., Павловская В.В., Залуцкая Е.А. Экологический мониторинг водных объектов с хроническим комплексным загрязнением тяжелыми металлами // Тезисы докладов 5-ой Международнаой научной конференции Сахаровские чтения года: экологические проблемы XXI века II часть Минск 20-21 мая 2005. – С.105-106.
26. Анисимов В.С., Анисимова Л.Н.,Круглов С.В.,Фригидова Л.М., Фригидов Р.А., Данилин И.А., Дикарев Д.В. Исследование механизмов, определяющих подвижность и биологическую доступность в системе “почва-растение” меди и цинка // Отчет РФФИ регион центр (Калужская обл.)№ 104-04-97248 за 2004-2006 год С.243 247.
27.Данилин И.А., Павловская В.В. Биоиндикация водных объектов с хроническим комплексным загрязнение тяжелыми металлами // II Региональная научная конференция «Техногенные системы и экологический риск»Тез. докл. Обнинск, 26-28 апреля 2005. – С. 60- 28.Данилин И.А, Павловская В.В. Эндоэкологические аспекты реакции моллюсков на загрязнение водоема радионуклидами Съезда по радиационным исследованиям //Материалы V (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) Москва, 10-14 апреля 2006. – С. 29.Данилин И.А., Сморызанова О.А.,. Сынзыныс Б.И,.Скворцов В.Г.
Роль белков–металлотионеинов в опухолевых клетках, клетках костного мозга и печени мышей при развитии опухолевого процесса после комбинированного действия кадмия и -облучения //Материалы V Съезда по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) Москва, 10-14 апреля 2006. – С. 30.Данилин И.А., Павловская В.В., Сынзыныс Б.И. Индукция синтеза белков-металлотионеинов при воздействии ионов тяжелых металлов и ионизирующего излучения в клетках животных и растений // Актуальные проблемы экологии и природопользования. Тез.докл. М.
РУДН. Выпуск 8. – 2006. – С. 102-107.
31.Данилин И.А.Индекс биологической токсичности ионов тяжелых металлов при загрязнении пресноводного водоема // IV региональная научная конференция Техногенные системы и экологический риск апреля 2007. – С. 74- 32. Данилин И.А. Перспектива применения водного гиацинта в системе доочистки дождевых сточных вод//Материалы докладов VI Региональной научной конференции техногенные системы и экологический риск – Обнинск –2009. – С 41-45.
33. Залуцкая Е.А., Павловская В.В., Данилин И.А. Содержание тяжелых металлов в ткани Dreissena polymorpha //Материалы докладов V Международной конференции “ Technology Science Works in the Western Lithuania ” – Литва, Клайпеда – 2006. –С. 226- 34. Павловская В.В., Залуцкая Е.А., Данилин И.А Сезонные изменения металлотионеинов в тканях Dreissena polymorpha// Материалы докладов V Международной конференции “Technology Science Works in the Western Lithuania ” – Литва, Клайпеда – 2006. – С.227- 35. Павловская В.В., Залуцкая Е.А., Данилин И.А. Изменение содержания металлотионеинов и тяжелых металлов у моллюска Dreissena polymorpha в природе и в условиях эксперимента [Текст] :
общественно-политическая литература / В кн.:Международная научная конференция "Инновации в науке и образовании - 2005". Калининград, 2005. - Ч.I. - С. 44-46. - (Секция "Биологические ресурсы мирового океана и внутренних водоемов. Аквакультура". Подсекция "Биологические ресурсы мирового океана и внутренних водоемов"). Библиогр. – С. 45-46.
36. Данилин И.А. Опыт применения эйхорнии (Eichornia crassipes) для снижения концентрации тяжелых металлов в дождевых сточных вод // Вода и экология. № 2. – 2009. – С.71-77.
37.Данилин И.А., Козлов Ю.П Металлотионеины как биомаркеры // Материалы 17 конференции по биоиндикаторам – 2009.- С.52.
38. Данилин И.А., Сынзыныс Б.И., Козлов Ю.П. Применение Eichhornia crassipes дл гидроботанической очистки сточных вод в г.
Москве: проблемы и перспективы // Материалы Всероссийской научно-практической конференции региональной «Проблемы экологии в условиях устойчивого развития» 1-2 декабря 2009 г. Киров - Выпуск VII. - Часть 1. – С.102-106.
39. Сынзыныс Б.И., Момот О.А., Данилин И.А. Эколого биологический мониторинг в районе расположения радиационно опасных объектов / Научная сессия НИЯУ МИФИ-2010. Аннотации докладов в 3 томах. Т.1. Ядерная физика и энергетика. – М.: НИЯУ МИФИ, 2010. – С. 258.
Данилин Илья Анатольевич (Россия) Металлотионеины как биомаркеры при действии на организмы тяжелых металлов и ионизирующего излучения Сформулирован подход к экологическому нормированию и оценке влияния тяжелых металлов и ионизирующего излучения, основанный на формировании состояния окислительного стресса и сопутствующем этому состоянию изменению удельного содержания металлотионеинов как биомаркеров в органах и тканях организмов референтного вида. Установлена способность прединдукии металлотионеинов защищать растительные и животные организмы от окислительного стресса, провоцируемого действием тяжелых металлов и ионизирующим излучением, при развитии опухолевого процесса обеспечивает сохранность клеток костного мозга и тормозит развитие злокачественных новообразований (на примере карциномы Эрлиха).
Показано, что стимуляция синтеза металлотионеинов в растениях позволяет увеличить эффективность (Eichhornia crassipes) фитоэкстракции тяжелых металлов в городских сточных водах.
Danilin Ilya Anatolievich (Russia) Metallothioneines as biomarkers in organisms affected by heavy metals and ionizing irradiation Formulated is the approach to ecological normalization and assessment of heavy metal and ionizing radiation impact;
it is based on the formed oxidation stress and followed variations in the specific content of metallothioneines as biomarkers in organs and tissues of the reference organisms. Found is the ability of preinduction to protect plant and animal organisms from the oxidation stress caused by the action of heavy metals and ionizing radiation, in developing tumor processes it protects bone brain cells and reduces malignant new formations (with Erlich’s carcinoma as an example). It is shown that synthesis of metallothineines stimulation in plants (Eichhornia crassipes) allows the efficiency of heavy metal phytoextraction to be increased in urban waste water.