Влияние антропогенных факторов на мутагенную активность почв на примере центральной и западной якутии
На правах рукописи
Пудова Туяра Максимовна
ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА МУТАГЕННУЮ
АКТИВНОСТЬ ПОЧВ НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ И ЗАПАДНОЙ
ЯКУТИИ
03.02.08. – Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Якутск – 2011
Работа выполнена в лаборатории прикладной зоологии и биоиндикации На учно-исследовательского института прикладной экологии Севера ФГАОУ ВПО Северо-Восточного Федерального Университета им. М.К. Аммосова
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Шадрина Елена Георгиевна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Кершенгольц Борис Моисеевич кандидат биологических наук Филиппов Эдуард Васильевич
Ведущая организация: Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН
Защита диссертации состоится 25 ноября 2011 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.306.03 при ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный Федеральный Университет им. М.К. Аммосова» по адресу: 677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58, факс (4112) 21 45 72, е-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный Федеральный Университет им. М.К. Аммосова» по адресу: 677000, г. Якутск, ул. Белинского, 58.
Автореферат разослан «» 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета: Данилова Н.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время все более актуальной стано вится проблема антропогенных воздействий на природные комплексы и эко системы. Одной из важнейших задач охраны окружающей среды является слежение за изменениями, происходящими в ней под влиянием антропоген ного фактора, т.е. организация мониторинга (Израэль, 1984). Любая система контроля природной среды складывается из экологического мониторинга и анализа полученных данных, на основе которого принимаются решения о перспективах функционирования и практического использования экосистемы (Булгаков, 2002). Особое значение приобретает разработка методов оценки антропогенного воздействия на почву. В практике мониторинга почв наибо лее распространенным подходом остается анализ уровней концентраций ток сичных соединений, радионуклидов с использованием физико-химических методов. Однако с такими оценками ассоциировано слишком много неопре деленностей. В частности, этот подход не учитывает возможности возникно вения синергических и антогонистических эффектов при одновременном воздействии нескольких неблагоприятных факторов. Проблемы, связанные с необходимостью контроля реальной ситуации с антропогенным загрязнением почв, заставляют наряду с химическим анализом внедрять новые подходы к контролю опасности токсикантов. Необходимо оценивать интегральную ток сичность почвы, отражающую влияние всего комплекса факторов.
Методы биотестирования, основанные на ответной реакции живых ор ганизмов на негативное воздействие загрязняющих веществ, способны давать достоверную информацию о качестве компонентов окружающей среды, в том числе почв. Цитогенетический подход при оценке антропогенного за грязнения занимает важное место в общей системе биомониторинга окру жающей среды.
Целью нашей работы является оценка качества среды антропогенно трансформированных территорий Центральной и Западной Якутии по пока зателям всхожести семян и мутагенной активности почв с использованием тест-объекта лука-батуна (Allium fistulosum. L.). При этом перед нами были поставлены следующие задачи:
1. выявить фоновый показатель всхожести и мутагенной активности не нарушенных природных почв исследованных территорий;
2. оценка мутагенной активности почвогрунтов городских территорий, в зависимости от фактора загрязнения;
3. анализ чувствительности контактного метода биотестирования почв;
4. оценка качества среды при воздействии разных антропогенных факто ров по показателям всхожести и мутагенной активности тест-объекта.
Научная новизна. Впервые приводятся данные по показателям мутаген ной активности почв исследованных территорий. Установлен суммарный му тагенный фон почвогрунтов селитебных территорий, грунтов техногенно трансформированных и сельскохозяйственных ландшафтов Центральной и Западной Якутии. Выявлена зависимость показателя мутагенной активности от микроэлементного состава почвогрунтов г. Якутска.
Защищаемые положения Антропогенное загрязнение почвенного покрова приводит к на 1.
рушению всхожести семян и повышению частоты патологий митоза у иссле дованного тест-объекта лука-батуна (Allium fistulosum. L.).
Повышение показателя мутагенной активности имеет прямую за 2.
висимость от содержания тяжелых металлов в почве.
Нарушения всхожести семян и цитогенетических показателей 3.
тест-объекта можно использовать для оценки качества среды при воздейст вии разных антропогенных факторов – загрязнений, связанных с работой транспорта и промышленных предприятий, нефтезагрязнений.
Теоретическая и практическая значимость. Научно обоснованные данные оценки мутагенной активности почв представляют интерес с точки зрения методов биотестирования антропогенно загрязненных почв ввиду от крытости и актуальности этого вопроса на современном этапе развития эко логии.
Результаты проводимых исследований использовались при комплексной оценке влияния горнодобывающей деятельности Мирнинского ГОКа на ок ружающую среду и разработке методов минимизации ущерба биологическим ресурсам региона, при мониторинге качества основных компонентов экоси стем долины Туймаада, при комплексном экологическом мониторинге со стояния природных экосистем в зоне влияния ВСТО, при проведении мони торинга окружающей среды и состояния недр в пределах Чаяндинского ли цензионного участка. Полученные материалы могут быть использованы в биомониторинговых исследованиях, а также в учебном процессе при подго товке специалистов-экологов.
Апробация работы. Результаты исследований и материалы диссертаци онной работы были изложены: на II республиканских аспирантских чтениях (Якутск, 2004), на XV Коми республиканской молодежной научной конфе ренции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2004), на Международной научно-практической конференции «Экология фундамен тальная и прикладная. Проблемы урбанизации» (Екатеринбург 2005), на Х межрегиональной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (с межд. участием) (Нерюнгри, 2009), на XVII международной конференции по биоиндикаторам (Москва, 2009), на научной сессии «Научное обеспечение решения ключевых проблем развития г. Якутска» (Якутск, 2009), на IV, V научно-практических конференциях «Урбоэкосистемы: проблемы и перспек тивы развития» (Ишим, 2009, 2010), на Международной научно практической конференции «Современные проблемы и инновационные тен денции развития аграрной науки» (Якутск, 2010), на научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной памяти д.вет.н., профессора М.Г. Сафронова (Якутск, 2010), на XV Лаврентьевских чтениях, посвященных 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова (Якутск, 2011).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 науч ных работ, в т.ч. три – в журналах из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 133 страницах, со держит 18 таблиц, 34 рисунка. Список литературы включает 175 наименова ний.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ВВЕДЕНИЕ Во введении определяется актуальность темы, а также основные цели и задачи исследования.
Глава 1. Основные антропогенные факторы воздействия на при родную среду В разделе 1.1 на основе литературных данных приводятся основные факторы техногенного воздействия на экосистему исследованных городов Якутск и Мирный. Город Мирный находится на территории Западной Яку тии;
его территория включает жилые районы, а также промышленную пло щадку Мирнинского горно-обогатительного комбината. Основное внимание уделялось состоянию почвогрунтов жилых районов, которые подвергаются воздействию алмазодобывающей промышленности и, в меньшей степени, ав тотранспорта. Город Якутск является административным центром Республи ки Саха (Якутия) и расположен в центральной части республики, основными источниками загрязнения являются автотранспорт, теплоэнергетика, строи тельная индустрия.
В разделах 1.2, 1.3 и 1.4 рассматриваются основные факторы воздейст вия горнодобывающей, нефтегазовой промышленности и сельскохозяйствен ной деятельности на окружающую среду.
Глава 2. Цитогенетический подход в оценке качества почвенной среды В данной главе проведен анализ литературы о применении методов био индикации и биотестирования в оценке состояния окружающей среды. Рас смотрены литературные данные по цитогенетическому мониторингу, а также о применении биоиндикации и биотестирования при оценке качества почв.
Глава 3. Материал и методы исследования Материал собран в период 2002-2010 гг. на территории Центральной и Западной Якутии. В пределах Западной Якутии обследованы природные не нарушенные и нарушенные ландшафты Мирнинского промышленного узла, жилого сектора г. Мирный;
в пределах Центральной Якутии – аласные ланд шафты, территория долины Туймаада: в рекреационной зоне и на территории г. Якутска, а также территории воздействия нефтегазодобывающей промыш ленности. Всего за период исследований проанализировано более 182 поч венных проб, свыше 1800 микропрепаратов, свыше 74500 анафазных клеток.
Во всех точках опробования отбирались образцы почвенного субстрата по разным методикам в зависимости от степени нарушенности территории. В пределах, не нарушенных ландшафтов проводился почвенный разрез на всю глубину оттайки с отбором почвенных образцов из каждого генетического горизонта. На участках нарушенных ландшафтов закладывались точки опро бования с отбором образцов из каждых 10 см по слоям на глубину до 20 см.
Химико-аналитические исследования выполнены в лаборатории физико химических методов анализа Института прикладной экологии Севера СВФУ.
Микроэлементный анализ почв проводился на многоканальном атомно абсорбционном газоанализаторе МГА-915, 1н HNO3, определение органиче ского вещества сделан по методу Тюрина ГОСТ 26213-91, реакция среды оп ределялась потенциометрическим методом на приборе Анион 4100.
Методика определения мутагенной активности почв методом ана телофазного анализа клеток корневой меристемы растений В наших исследованиях в качестве тест-объекта использовали лук-батун (Allium fistulosum), в качестве тест-функции – всхожесть семян, длина проро стков и изменение цитогенетических показателей клеток корневой меристе мы.
Выбор тест-объекта обусловлен стабильностью получения качественных цитологических препаратов, крупными хромосомами, достаточно высокой чувствительностью вида к действию мутагенов.
Семена лука-батуна (Allium fistulosum) проращивали в чашках Петри на исследуемых образцах почвы в термостате при температуре 25 С. В качестве основного контроля использовали семена лука-батуна, пророщенные на дис тиллированной воде.
Для анализа отбирали проростки с корешками длиной 1,5-2,0 см. Фикса цию проростков проводили спирт-уксусной кислотой 3:1 в течение суток при +4 С. Структурные изменения хромосом учитывали анателофазным методом на временных давленых препаратах, окрашенных реактивом Шиффа (Лил ли,1969, Паушева, 1980). Велся подсчет митотической активности (МИ) - % делящихся клеток от общего их числа (не менее 1000 клеток);
патологий ми тоза (ПМ) - % клеток с нарушениями митоза от общего числа анателофазных клеток (не менее 400 клеток).
Для занесения и хранения числовых значений использовали компьютер ное программное обеспечение Microsoft Excel. При статистической обработке материала использовали общепринятые параметры. Для оценки значимости различий использовали критерий Стьюдента (Лакин, 1980).
Глава 4. Результаты и обсуждение В данной главе рассмотрено четыре аспекта антропогенного воздействия – урбанизация территории, влияние алмазодобывающей, нефтегазодобы вающей промышленности и сельскохозяйственной деятельности на состоя ние почвенной среды.
4.1.Показатели мутагенной активности почвогрунтов урбанизиро ванных территорий на примере гг. Мирный и Якутск Нами обследовано 16 образцов почв, отобранных на территории г.
Мирного и 77 образцов почв - на территории г. Якутска. Проанализировано 81 почвенных проб, 784 микропрепаратов, свыше 35000 анателофазных кле ток.
На территории г. Мирного показатели всхожести семян лука-батуна варьировали в пределах 41-60 %, частота хромосомных нарушений варьиро вала в пределах 7,5-19,4 %, причем анализ показал статистически значимое увеличение уровня аберраций хромосом в большинстве отобранных проб по сравнению с контрольной пробой (табл. 1). Наиболее существенные отличия характерны для точек, расположенных возле обогатительной фабрики, авто базы, в промышленной зоне города.
При комплексной оценке качества среды на территории г. Мирного по широкому кругу биоиндикационных и геохимических показателей нами со вместно с соавторами было выявлено, что качество городской среды в преде лах г. Мирного ухудшается от центра к периферии (Вольперт и др., 2005), что в целом нехарактерно для урбанизированных территорий (Небел, 1993;
Стрельцов, 2003). Анализ экогеохимических данных показал, что основным путем, по которому происходит загрязнение городской территории, является атмосфера, причем в данном случае автомобильные выбросы не играют оп ределяющей роли. Судя по составу и характеру распределения микроэлемен тов в пределах жилой зоны, основной вклад вносят вещества, основными ис точниками которых являются территории, нарушенные в процессе добычи алмазов – это отвалы пустых пород и хвостохранилища (Вольперт и др., 2005).
На территории г. Якутска нами были отобраны пробы с участков, под верженных разной транспортной нагрузке в разные годы. В качестве контроля мы рассматривали семена пророщенные на образце почвы из при родного биотопа, испытывающего слабую антропогенную нагрузку, находя щейся в рекреационной зоне города на территории Ботанического сада ИБПК СО РАН.
Таблица Частота аберраций хромосом лука-батуна, пророщенного на газонных почвогрунтах г. Мирного Анафазы с Зоны Всего нарушениями, № Точки сбора материала воздействия анафаз % t М±m Дистиллированная вода Контроль 1 875 5,5 ± 0,80 Автобаза ГОК 2 526 11,9 ± 0,33 5, ОФ № 3, перед зданием 3 534 9,5 ± 0,28 3, ОФ № 3, сбоку 4 578 9,7 ± 0,08 3, Кирова, 5 497 8,1 ± 0,29 2, Ленинградский пр., 6 552 14,4 ± 0,27 7, Аммосова, 26 Территория 7 485 11,3 ± 0,16 5, города Советская, 8 469 12,2 ± 0,20 6, Ленинградский пр., 9 504 8,0 ± 0,29 2, Ленина, 10 562 7,5 ± 0,31 1, Индустриальная, 11 500 19,4 ± 0,84 10, Звездная, 42-44 (выезд из го 12 6, рода) 547 12,7 ± 0, 13 Тихонова, 16 (центр) 415 12,1 ± 0,51 5, 14 Отвалы водораздельных га- 723 12,3 ± 1,20 4, лечников 15 Отвалы дражных полигонов Территория 1353 12,1 ± 0,90 4, 16 Загрязнение высокоминерали- вне города 850 15,9 ± 1,21 6, зованными водами 17 Берег хвостохранилища № 3 1268 10,5 ± 0,92 3, Примечание: t – критерий Стьюдента. Различия статистически значимы при значениях свыше 1,96.
По нашим данным, наиболее значимое повышение ПМ было отмечено для проростков, выращенных на почвенных пробах, собранных вдоль улиц с наиболее интенсивной транспортной нагрузкой. Максимальный показатель уровня аберрации хромосом отмечен на перекрестках улиц Кальвица и Дзер жинского, Каландаришвили и Лермонтова;
на улице Автострада 50 лет Ок тября, в этих районах разрешен проезд грузовых автомобилей, а также отме чена высокая интенсивность движения автотранспорта. В этих точках пока затели встречаемости анафазных нарушений составили около 17,5 - 18,3 %, что существенно выше, чем в остальных районах города. По направлению к окраинам города и по мере удаления от проезжей части улиц процент абер раций снижается. Примечательно, что даже в центре города на завозных поч вогрунтах и на удалении от проезжей части могут наблюдаться низкие пока затели частоты хромосомных аберраций.
Анализ показателей всхожести семян и мутагенной активности тест объекта лука-батуна по улицам города Якутска установил, что показатель ка чества среды несколько отклоняется от нормального природного, и опреде ляется как неблагополучная экологическая ситуация. Поскольку основным фактором загрязнения почвенной среды является автотранспорт, нами про водился подсчет числа автомашин дважды в день, в часы наиболее интенсив ного движения в основных точках в черте города. Для выявления зависимо сти показателя мутагенной активности от интенсивности транспортной на грузки территорию разбили на несколько зон.
Первая зона – это участок интенсивного воздействия, количество авто машин за час составляет от 1200 до 1700 автомашин. К этой зоне можно от нести территорию, на которой расположены точки: проспект Ленина, пере крестки улиц Кальвица-Дзержинского, Тургенева-Петровского, Каландара швили-Лермонтова, Кулаковского, Автострада 50 лет Октября. Полученные данные свидетельствуют о сильном негативном воздействии на почвы, вызы ваемым автотранспортным движением. Средний показатель мутагенной ак тивности составил 14,2 %.
Вторую зону можно охарактеризовать как территорию, подвергшуюся воздействию средней тяжести, количество автомашин за час составляет от 700 до 1200 автомашин. Например, к ним относятся улицы Чернышевского, Петра Алексеева, Дежнева, Вилюйский тракт, 50 лет Советской Армии. В среднем показатель мутагенной активности равен 11,7 %.
Третья зона – слабого воздействия (показатель МА – в среднем 6,7 %) – районы института Мерзлотоведения, поселка Геологов, микрорайон Бори совки-1, ДСК (автодорожная), Птицефабрики, Сергеляхского шоссе. Количе ство автомашин за час составил от 60 до 70.
По нашим данным, показатель мутагенной активности понижается в за висимости от интенсивности воздействия автотранспортного движения в ря ду: зона I сильного – зона II среднего – зона III слабого воздействия (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость показателя мутагенной активности от интенсивности транспортной нагрузки в черте г. Якутска.
Для территорий обоих городов спектр патологий был представлен всеми основными типами цитогенетических нарушений – хромосомные и хрома тидные мосты, одиночные и парные фрагменты, отставания хромосом (рис.
2). Анализ спектра хромосомных нарушений в образцах почвогрунтов терри тории г. Мирный показал преобладание таких нарушений митоза, как оди ночные мосты и фрагменты, это показывает, что повреждения клеток проис ходили на стадии G2 при удвоении хромосомы (хроматидные). Самым низ ким и при этом наименее вариабельным оказался процент возникновения от ставаний, он, за редкими исключениями, практически одинаков в точках с разным уровнем загрязнения и в контроле. Средние значения встречаемости фрагментов и мостов превышают таковые в контрольной выборке почти в два раза. Анализ спектров хромосомных нарушений территории г. Якутска показал приблизительно одинаковое количество мостов и фрагментов, кото рые, как и на территории г. Мирного, существенно преобладают над отстава ниями хромосом, при этом надо отметить более высокое варьирование про цента отставаний хромосом.
А Б В Г Д Е Рис. 2. Типы аберраций хромосом в клетках корневой меристемы Allium fistu losum А – анафаза в норме;
Б – мост и парный фрагмент;
В – отставания и фрагмент;
Г – парные мост и фрагмент;
Д – одиночный фрагмент;
Е - забегание хромосомы в анафазе (фото ав тора).
В большинстве отобранных проб почвы можно проследить также зави симость между уровнем ПМ и ингибированием корневого роста. Ранее в ли тературе отмечалась высокая корреляция между ингибированием роста и ци тотоксическим воздействиями на корни проростков при сравнительном ана лизе физиологических и цитологических эффектов солей токсичных метал лов (Довгалюк и др., 2001).
Сравнительный анализ показателя мутагенной активности при проращивании тест-объекта на почвенных пробах и почвенных вытяж ках В настоящее время при оценке токсичности плотных объектов, в частно сти почв или твердых отходов, анализу подвергаются их водные экстракты (Ronnpagel K. B. et al., 1998;
Методика …, 2000 и др.). Однако, как свиде тельствуют некоторые публикации, такое тестирование позволяет учесть эф фекты только водорастворимых соединений, тогда как влияние могут оказы вать и токсиканты, связанные плотной матрицей анализируемых объектов, и высказывается предположение о перспективности тестов, в которых токси кант приводится в непосредственный контакт с живым организмом (Ivask A.
et al., 2000;
Ronnpagel K. B. et al., 1998).
В опытных исследованиях нами было проанализировано 12 почвенных проб и, соответственно, 12 вытяжек из почвенных проб, отобранных на тер ритории г. Якутска.
Сравнительный анализ показателя мутагенной активности при проращи вании семян тест-объекта Allium fistulosum на почвенной пробе и вытяжке из проб показал, что в большинстве проб показатели нарушений митоза в клет ках корневой меристемы, выращенных непосредственно в почве выше, чем показатели в водных вытяжках из почв (табл. 2).
Таблица Результаты сравнительного анализа показателя мутагенной активности при проращивании тест-объекта на почве и почвенной вытяжке Анафазы с нарушениями, % Всего анафаз М±m № Точки сбора материала почва вытяжка почва вытяжка Дистиллированная вода 1 836 520 5,4 ± 0,46 5,0 ± 0, Ботанический сад 2 449 518 5,9 ± 0,39 5,4 ± 0, Вилюйский тракт, перекресток с 3 348 502 13,9 ± 0,40 5,1 ± 0, пер. Базовый Окружная дорога 4 352 490 15,4 ± 0,83 5,5 ± 0, Автострада 50 лет Октября, спра 5 405 634 12,2 ± 0,32 5,9 ± 0, ва от центра Хатынг-Юряхское шоссе 6 199 522 17,9 ± 0,56 12,4 ± 0, ул. Автодорожная, 7 194 510 8,3 ± 1,15 5,3 ± 0, Поселок геологов, ул. Билибина 8 408 561 5,1 ± 0,63 6,8 ± 0, ул. Чернышевского, рядом с АЗС 9 258 454 12,8 ± 0,99 7,7 ± 0, Даркылах, ул. 50 лет Советской 10 286 479 11,4 ± 0,55 6,7 ± 0, Армии ул. Петровского и ул. Тургенева 11 224 500 9,1 ± 1,98 6,2 ± 0, ул. Петра Алексеева 12 255 433 11,4 ± 1,07 4,7 ± Повышение показателя мутагенной активности в контакте с почвенной средой можно объяснить присутствием водонерастворимых токсичных со единений твердой фазы и ухудшения водно-воздушного режима субстратов, что ранее в литературе отмечалось (Седых, Тараканов, 2004).
Оценка влияния микроэлементного состава почвогрунтов на мута генную активность (на примере, г. Якутск) В почве происходит накопление некоторых компонентов выбросов про мышленных предприятий и бытовых отходов, особую опасность представ ляют тяжелые металлы, которые обладают мутагенной и тератогенной ак тивностью. В связи с этим наиболее целесообразным является изучение влияния тяжелых металлов на мутагенную активность почвогрунтов. Нами проанализировано 9 комплексных образцов почв, отобранных на территории г. Якутск.
Физико-химические исследования показали, что все почвы имеют ще лочную и очень щелочную реакцию среды (рН 8-9). Содержание органиче ского вещества низкое и очень низкое варьирующее в пределах от 0 до 3,5 % (табл. 3). Наиболее высокое содержание гумуса наблюдается в пробах, взя тых на перекрестках улиц Кальвица – Дзержинского, Октябрьская – пр. Ле нина и вдоль улицы Курнатовского.
Микроэлементный анализ выявил наличие и превышение нормативов ПДК по элементам I, II, и III класса опасности: Pb, Cu, Mn, Cr, Zn. Результаты исследования показали, что наиболее загрязнена проба, отобранная на пере крестке улицы Октябрьская – проспекта Ленина в ней выявлен целый ряд микроэлементов, наиболее высокие превышения ПДК наблюдается по со держанию свинца в 12 раз, цинка в 16,6 раз, меди в 9,6 раз (табл. 3).
Таблица Некоторые показатели состояния почвогрунтов г. Якутска Содержание микроэлементов, мг МА, № Местоположение рН Гумус % Pb Mn Cr Zn Cu Перекресток ул. Автодорожная и 1,97 27,31 0,3 3,62 2,36 8,6 0 9, Покровского тракта Перекресток улицы Короленко и 33,34 89,51 2,74 14,71 9,43 8,1 1,2 13, пр. Ленина ул. Кальвица, Молокозавод 3 83,21 78,17 3,73 29,84 47 8,4 2,9 10, Городской канал, район Автово 1,41 28,13 0,39 3,71 2,58 9 0 8, кзала ул. Труда, Столичный рынок 5 4,4 15,05 1,03 7 5,4 8,4 0,1 10, Перекресток ул. Октябрьская и 72,3 205 10,35 383,1 28,81 8 3,2 20, пр. Ленина 202 мкрн, пляж 7 1,62 25,43 0,23 2,02 2,84 8,3 0 8, оз. Сайсар, ул. Лермонтова 8 12,71 69,06 0,74 10,45 3,6 8,1 0,8 10, ул. Курнатовского, рынок «Белое 355,5 218,6 2,93 13,43 29,13 8,3 3,5 27, озеро»
ПДК 6 140 6 23 Показатели мутагенной активности почвогрунтов варьировали в широ ких пределах – от 8,11 до 27,97 % от числа исследованных анафазных клеток.
Максимальный показатель уровня аберрации хромосом отмечен в точках Т 10, Т-26. В этих точках показатели встречаемости анафазных нарушений со ставили около 20,33 – 27,97 %, что существенно выше, чем в остальных рай онах города. Наименьшее количество патологий митоза наблюдается в про бах Т-7, Т-16 (табл. 3).
Анализ корреляции значений свинца и меди с распределением органиче ского вещества и мутагенной активностью выявил, что мутагенная актив ность зависит от содержания свинца, т.е. чем выше свинец, чем больше пока затель мутагенности, о чем свидетельствует высокая степень корреляции (=0,9;
рис. 3).
Рис. 3. Зависимость показателя мутагенной активности от содержания свинца в почвах г. Якутска.
4.2. Влияние горнодобывающей промышленности на мутагенную активность почв на примере Мирнинского промышленного узла Исследования по биотестированию техногенного загрязнения мерзлот ных почв и грунтов промышленной зоны проведены на территории г. Мир ного, находящегося в зоне воздействия алмазодобывающей промышленно сти.
Пробы почв были отобраны на нарушенных территориях: отвалы на территории месторождения «Водораздельные галечники», отвалы дражных полигонов в пойме р. Ирелях, в пойме ручья Тымтайдах, на берегу хвосто хранилища фабрики № 3. Кроме того, взяты пробы почвы на участке поймы р. Чуоналыр, не подвергавшемся непосредственному техногенному воздей ствию, но расположенному недалеко от г. Мирный.
В результате проведенных исследований выявлено возрастание доли аберраций в нескольких точках, подверженных антропогенному воздействию (табл. 4). Самый высокий уровень мутагенеза выявлен на территории поймы р. Тымтайдах – 15,9 ± 1,2 %, куда несколько раз происходил сброс высоко минерализованных шахтных вод, что подтвердилось при химическом анализе почв. Средние значения показателей мутагенности почв, отобранных на раз личных отвалах, не различаются: на отвалах водораздельных галечников 12, ± 1,2%;
на отвалах дражных полигонов – 12,1 ± 0,9%. На нижнем участке поймы р. Чуоналыр также отмечается повышенное значение аберраций хро мосом – 11,2 ± 1,0, это можно объяснить тем, что пойма реки подвержена ан тропогенному воздействию: выше по течению находится водохранилище и зона отдыха горожан. По сравнению с вышеуказанными территориями уро вень патологий митоза на территории хвостохранилища № 3 несколько ниже – 10,5 ± 0,9%, что может быть связано с тем, что здесь имеет место не пря мое, а косвенное воздействие факторов.
Таблица Частота аберраций хромосом и митотическая активность лука-батуна (Allium fistulosum) в техногенно трансформированных биотопах Мирнинского про мышленного узла Всего Анафазы с наруше Митотический Точки исследования t* ана- ниями индекс фаз всего М%±m Контроль (дист. вода) 875 57 6,5 ± 0,8 - 4,6 ± 0, Отвалы водораздельных га 723 89 12,3 ± 1,2 4,03 6,4 ± 0, лечников Отвалы дражных полигонов 1353 164 12,1 ± 0,9 4,61 6,8 ± 0, Пойма р. Тымтайдах 850 135 15,9 ± 1,2 6,02 6,1 ± 0, берег хвостохранилища № 3 1268 133 10,5 ± 0,9 3,32 6,3 ± 0, Нижний участок поймы р.
939 105 11,2 ± 1,0 3,68 5,5 ± 0, Чуоналыр Примечание: значимость различий по t-критерию Стьюдента. Различия статистически значимы при значениях свыше 1,96.
Показатель митотической активности проростков в контроле составил 4,6 ± 0,66%. Во всех исследованных районах отмечено увеличение значения МА в пределах от 5,5 ± 0,50% до 6,8 ± 0,55% (табл. 4), что может происхо дить за счет вступления в деление большого числа клеток или задержки кле ток в митозе. В делящихся клетках наблюдалось преобладание профазы, по этому можно предположить, что в почве происходит накопление ионов тяже лых металлов, способных повреждать молекулы ДНК и препятствовать нор мальной конденсации хроматина (Довгалюк, 2001).
4.3. Влияние нефтегазовой промышленности на мутагенную актив ность почв Наши исследования по влиянию нефтегазовой промышленности на поч венную среду проведены на территории Чаяндинского нефтегазового, Сред нетюнгского газоконденсатного месторождений, а также проведена оценка фонового состояния почв на территории нефтепроводной системы «Восточ ная Сибирь – Тихий Океан».
Обследованы площадки 8 разведочных скважин. Пробы почвы были отобраны на расстоянии 5, 10, 50 м от скважин в 2009-2010 гг. Всего проана лизировано 54 почвенные пробы, 348 микропрепаратов, свыше 17000 анате лофазных клеток.
В качестве контроля использовались семена лука-батуна, пророщенные на дистиллированной воде и на фоновых почвенных пробах, отобранных из природных биотопов того же района.
Показатели всхожести семян на территории воздействия нефтегазодо бывающей промышленности варьировали в очень широких пределах – от до 95 %, МА – от 5 до 15 %. Величина показателя всхожести семян в кон трольных пробах составила 77-82 %, мутагенной активности 7,8-9,6 %, а в водном контроле – 79-84 и 5,2-9,3 %, соответственно. Ингибирование всхо жести семян, роста проростков и повышение показателя мутагенной актив ности наиболее ярко выражены на небольшом расстоянии от действующего факела (рис. 4).
Рис. 4. Показатели всхожести семян и мутагенной активности почв на разном удалении от скважин Сравнительный анализ показателя всхожести семян по годам выявил значительное ухудшение состояния почвенной среды, наблюдается пониже ние показателя всхожести семян и повышение мутагенной активности почв на втором году исследования. Это объясняется тем, что в данный период произошел разлив нефти на площадке (рис. 5).
Рис. 5. Соотношение всхожести семян и показателя мутагенной активности тест-объекта по годам В сравнении территории двух месторождений можно отметить, что для Чаяндинского наблюдается значительное понижение показателя всхожести семян и повышение мутагенной активности почв на втором году исследова ния, тогда как на первом году исследований различий не отмечено (рис. 6).
Можно предположить, что это связано с типом углеводородного сырья (ис следованные скважины Чаяндинского месторождения – нефтяные, тогда как Среднетюнгского - газоконденсатные), а также с разливом нефтепродуктов.
Рис. 6. Показатели всхожести семян и мутагенной активности почв территории двух нефтегазодобывающих предприятий Оценка фонового состояния почв на территории нефтепроводной систе мы «Восточная Сибирь – Тихий Океан» показала, что по показателю всхоже сти семян почвенная среда благоприятна для прорастания растительности, по показателю мутагенной активности в некоторых пробах наблюдалось досто верное повышение показателя мутагенной активности, можно предположить, что это связано с особенностями геохимического фона или косвенным воз действием антропогенных факторов.
4.4. Влияние сельскохозяйственной деятельности на мутагенную ак тивность почв Для данного исследования нами были выбраны четыре котловинных аласа Центральной Якутии, имеющих разную степень антропогенной нагруз ки: среднедеградированные (Ат Ыытар, Тобуруон) и сильнодеградированные (Ньагатта, Уолан).
Результаты исследования показали, что фитотоксичность почв по всхо жести семян тест-объекта варьировала в пределах 30-87 %, показатель МА – от 4 до 16 %. Анализ фитотоксичности почв по всхожести семян тест-объекта показал, что наиболее неблагоприятными для прорастания растительности являются почвы нижних поясов аласов, а также сильно деградированного аласа Уолан.
В пределах исследованных аласов наиболее высокими показателями на рушений митоза характеризуется проба, отобранная с нижнего гидротерми ческого пояса – 15,56 %, а также в этой пробе отмечается высокий уровень нагруженности клеток аберрациями.
При сравнении показателя мутагенной активности почв по аласным поя сам можно проследить тенденцию увеличения показателя от верхнего к ниж нему поясу (рис. 7).
Рис. 7. Показатели мутагенной активности почв разных гидротермических поясов аласов Выводы В результате исследований нами установлены показатели всхожести семян и мутагенной активности (МА) тест-объекта лука-батуна Allium fistulo sum в норме и при антропогенных воздействиях, и сделаны следующие выво ды.
1. При проращивании на дистиллированной воде показатель всхожести се мян варьировал в пределах 56-85 %, частота патологий митоза – от 5, до 9,3 %. Эти различия могут объясняться качеством семенного мате риала.
2. Фоновые показатели всхожести семян ненарушенных природных почв исследованных территорий варьировали в пределах 62-92 %, мутагенной активности (МА) - от 5,4 до 14,3 %. Повышенный показатель МА в при родных биотопах отмечен для почв Алдано-Ленской таежно мелкодолинной провинции, где отмечается повышенное содержание в почвах Сd-Zn-Mn-Pb, что объясняется природной геохимической специ фикой.
3. Результаты исследования территории городов Якутск и Мирный показа ли, что показатели всхожести семян Allium fistulosum варьировали в пре делах 41-90 %;
МА варьировала в широких пределах от 4,4 до 19,4 %. В большинстве проб с селитебных территорий наблюдается статистически значимое повышение частоты патологий митоза, что свидетельствует о наличии загрязнений окружающей среды. Происхождение загрязнений может быть разным. На территории промышленного центра с невысокой численностью населения, каковым является г. Мирный, загрязнение рас пространяется на жилую зону от техногенно нарушенных земель, в ре зультате центр города менее загрязнен, чем окраина. На территории ад министративного центра (г. Якутск) основным источником загрязнения является автотранспорт, потому здесь больше загрязнены крупные ули цы, особенно находящиеся в непосредственной близости от проезжей части, и перекрестки с высокой транспортной нагрузкой. В большинстве случаев повышение мутагенной активности сопровождается ингибиро ванием корневого роста. Наиболее ярко мутагенное действие проявляет ся в возникновении хроматидных мостов и одиночных фрагментов.
Микроэлементный анализ городских почвогрунтов г. Якутска показал, 4.
что практически во всех пробах наблюдается превышение норм свинца от 2 до 5,9 раз и меди 3,1 до 16 раз, которые являются элементами I и II класса опасности. При этом показатели мутагенной активности почвог рунтов варьировали в пределах – от 8,1 до 27,9 % от числа исследован ных анафазных клеток. Наиболее загрязнены участки, находящиеся на перекрестках крупных улиц с высокой транспортной нагрузкой. Высо кая степень корреляции значений показателя мутагенной активности выявлена по содержанию свинца, марганца (=0,9), никеля (=0,7), ко бальта (=0,8). На основании результатов комплексного исследования почвогрунтов на территории города Якутска можно сделать вывод о том, что повышение показателя мутагенной активности имеет прямую зави симость от содержания тяжелых металлов.
Оценка воздействия горнодобывающей промышленности на мутагенную 5.
активность почв на примере Мирнинского промышленного узла показа ла статистически значимое повышение показателя мутагенной активно сти на всех обследованных нарушенных территориях (10,5-15,9 %). Са мый высокий уровень показателя мутагенной активности отмечен на территории поймы р. Тымтайдах – 15,9 %, где происходил сброс высо коминерализованных шахтных вод. Показатель митотической активно сти проростков в контроле составил 4,6 %, тогда как для почв нарушен ных территорий колебался в пределах 5,5-6,8 %;
такое повышение может происходить за счет вступления в деление большого числа клеток или задержки клеток в митозе.
Показатели всхожести семян на территории воздействия нефтегазодо 6.
бывающей промышленности варьировали в очень широких пределах – от 0 до 95 %, МА – от 5,3 до 14,8 %. Выявлено повышение показателя мутагенной активности и понижение показателя всхожести семян на территории разведочных скважин на небольшом расстоянии от источни ка воздействия. Сравнение двух лет исследования выявило понижение показателя всхожести семян в два раза и повышение показателя мута генной активности на территории разведочной скважины на стадии строительства и пробной эксплуатации, что показывает на накопление загрязнений со временем. Сравнение площадок нефтяных и газоконден сатных скважин показывает, что более значительные отклонения отме чены для территории первых.
Результаты исследования влияния сельскохозяйственной деятельности 7.
на состояние почв показали, что фитотоксичность почв по всхожести семян тест-объекта варьировала в пределах 30-87 %, показатель МА – от 4,4 до 15,6 %. Наиболее неблагоприятными для прорастания раститель ности являются почвы сильно деградированного аласа. Высокими пока зателями нарушений митоза характеризуется почва нижнего гидротер мического пояса аласов – до 15,6 %, а также отмечается высокий уро вень нагруженности клеток аберрациями. При сравнении показателя му тагенной активности почв по гидротермическим поясам можно просле дить тенденцию повышения показателя от верхнего к нижнему.
Анализ чувствительности контактного метода биотестирования показал, 8.
что при проращивании Allium fistulosum непосредственно на почве пока затели нарушений митоза в клетках корневой меристемы выше, чем при проращивании на водных вытяжках из почв. Повышение показателя му тагенной активности в контакте с почвенной средой можно объяснить присутствием водонерастворимых токсичных соединений твердой фазы и ухудшением водно-воздушного режима субстратов, что отмечалось ранее в литературе. Таким образом, полученные данные свидетельству ют о большей эффективности контактного метода биотестирования в плане выявления токсичности почв, и позволяет сделать заключение в целом о высокой чувствительности предлагаемого нами метода.
Повышение показателя мутагенной активности почв и почвогрунтов 9.
проявляется при воздействии разных антропогенных факторов и наблю дается в большинстве почвенных проб, отобранных на участках подвер женных загрязнениям, связанным с работой автотранспорта, горнодобы вающей, нефтегазовой промышленности, сельскохозяйственной дея тельности. Все вышеперечисленное свидетельствует о нарушении цито генетического гомеостаза, что проявляется в нарушениях функциониро вания митотического аппарата клеток вследствие комплексного воздей ствия негативных факторов антропогенно преобразованной среды.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ *Шадрина Е.Г. Оценка здоровья среды по показателям мутаген 1.
ного фона почвогрунтов городских территорий на примере гг. Мирный и Якутск / Е.Г. Шадрина, Т.М. Степанова // Проблемы региональной эколо гии. – 2008. - № 2. – С. 60-64.
*Степанова Т.М. Биотестирование состояния мерзлотных почв в 2.
зоне влияния нефтегазодобывающей промышленности / Т.М. Степанова, Е.Г.
Шадрина // Наука и образование. – 2011. - № 3(63). – С. 30-33.
*Шадрина Е.Г. Биоиндикационная оценка состояния наземных 3.
экосистем в зоне влияния алмазодобывающей промышленности / Е.Г. Шад рина, Я.Л. Вольперт, В.А. Данилов, Т.М. Степанова, Н.Н. Алексеева, В.В.
Величенко // Проблемы региональной экологии. – 2011. - № 4. – С. 110-114.
Портнягина Т.М. Оценка воздействия алмазодобывающей про 4.
мышленности на мутагенную активность почвогрунтов г. Мирный / Т.М.
Портнягина // Матер-лы XV Коми респ. мол. науч. конф. «Актуальные про блемы биологии и экологии». – Сыктывкар,- 2004. – С. 241-242.
Вольперт Я.Л. Интегральная оценка качества окружающей среды 5.
на территории г. Мирного (Якутия) / Я.Л. Вольперт, Я.Б. Легостаева, Е.Г.
Шадрина, С.И. Поисеева, М.В. Щелчкова, Т.М. Портнягина, С.В. Петрова, В.С. Макаров // Экология фундаментальная и прикладная. Проблемы урбани зации. – Матер. Междунар. научно-практ. конф. – Екатеринбург, 3-4 февраля 2005 г. – Екатеринбург, 2005. – С. 78-80.
Степанова Т.М. Оценка цитотоксичности грунтов и почвогрун 6.
тов в зоне воздействия алмазодобывающей промышленности Западной Яку тии / Т.М. Степанова // Сб. науч. трудов молодых ученых, ИПЭС РС (Я). – Якутск, 2008. – С. 64-67.
Степанова Т.М. О возможности использования цитогенетиче 7.
ского метода в биоиндикации техногенно загрязненных мерзлотных почв / Т.М. Степанова // Сб. науч. трудов молодых ученых, ИПЭС РС (Я). – Якутск, 2008. - С. 68-71.
Шадрина Е.Г. Показатели мутагенной активности почвогрунтов 8.
г.г. Мирный и Якутск (Республика Саха, Якутия) как критерии качества го родской среды / Е.Г. Шадрина, Т.М. Степанова // Матер. IV международная научно-практическая конференция: Урбоэкосистемы: проблемы и перспекти вы развития. 21-22 марта 2009. г. Ишим. 2009. - С. 64-66.
Степанова Т.М. Биоиндикационная оценка состояния почв окре 9.
стности п. Кангалассы / Т.М. Степанова // Матер-лы Х межрегион. конф. мо лодых ученых, аспирантов и студентов (с межд. участием). 3-4- апреля 2009.
г. Нерюнгри. – 2009.- С. 291-293.
10. Shadrina E.G. Bioindication of urban environment quality based on indices of mutagenic background of soil-grounds (case stady of Mirny and Ya kutsk towns) / E.G. Shadrina, T.M. Stepanova // Mat. 17th Inter. Environmental bioindicators conference, Moscow, 18-21 May 2009. – Moscow, 2009. – P.86.
Степанова Т.М. Использование цитогенетического метода при 11.
оценке загрязнения почвогрунтов селитебных территорий на примере г.
Якутска / Т.М. Степанова // Материалы научной сессии «Научное обеспече ние решения ключевых проблем развития г. Якутска» [текст]. – Якутск: 2010.
– С. 209-211.
Шадрина Е.Г. Биоиндикационная оценка состояния среды на тер 12.
ритории долины Туймаада / Е.Г. Шадрина, Я.Л. Вольперт, В.А. Данилов, В.Ю. Солдатова, Т.М. Степанова, М.И. Сидоров // Матер-лы научной сессии «Научное обеспечение решения ключевых проблем развития г. Якутска»
[текст]. – Якутск: 2010. – С. 195-198.
Степанова Т.М. Оценка влияния тяжелых металлов на мутаген 13.
ную активность почвогрунтов г. Якутска / Т.М. Степанова, Н.Е. Сивцева, Я.Б. Легостаева, Л.Н. Трофимова // Материалы V научно-практической конф.
«Урбоэкосистемы: проблемы и перспективы развития» [текст]. – Ишим:
2010. Изд-во ИГПИ им. П.П. Ершова. – вып 5. – С. 291-292.
Степанова Т.М. Лук-батун (Allium fistulosum) как тест-объект в 14.
биотестировании загрязненных почв / Т.М. Степанова // Сб. трудов Между нар. науч-практ. конф. «Современные проблемы и инновационные тенденции развития аграрной науки», Якутск 2010. - С. 142-146.