Эффекты хронического радиационного воздействия на популяции растений

Эффекты хронического радиационного воздействия на популяции растений

Гераськин С.А.

ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии РАСХН, Обнинск, Россия

Различия антропоцентрического и экоцентрического подходов к

нормированию действия ионизирующего излучения

Антропоцентрический

Экоцентрический

Поглощенные человеком и биотой дозы

Близки

Существуют радиоэкологические ситуации, когда некоторые представители биоты получают дозу в 10-300 раз выше, чем человек

Объект нормирования

Человек

Системы надорганизменного уровня (популяции, экосистемы, биоценозы)

Показатели, по которым осуществляется нормирование

Детерминистские и стохастические эффекты

Сохранение структуры и устойчивое функционирование систем надорганизменного уровня

Экосистемы продуктивность ценоза, видовое разнообразие, трофическая

структура, выпадение чувствительных видов

Экологические эффекты

Популяции изменение половозрастной и генетической структуры популяции репродуктивной способности, радиоадаптация

Репродуктивная функция

Адаптация

Организмы выживаемость, заболеваемость, морфологические аномалии, наследственные эффекты

Смертность

Заболеваемость

Клетки мутации, изменение концентрации внутриклеточных метаболитов, мутации, трансформации, гибель клеток

Генетические эффекты

Ионизирующее излучение

Клетка

Какие процессы происходят в природных популяциях, населяющих

радиоактивно загрязненные территории? Каков мутагенный эффект хронического радиационного воздействия в низких дозах? Какова судьба индуцированных мутаций в измененных экологических условиях?

Исследования популяций растений, населяющих радиоактивно загрязненные

территории

Брянская обл., Россия, 2003 350 ?R/h

Семипалатинский полигон, Казахстан, 2006 эпицентр Опытного поля, 3557 ?R/h

Объект

Место и время

Загрязнение

Показатели

Рожь, пшеница, ячмень, овес

10-км зона ЧАЭС (11.7-454 МБк/м2), Украина, 1986-1989

Радионуклиды

Жизнеспособность семян, цитогенетические нарушения в интеркалярной меристеме и проростках семян (Geras’kin et al., 2003a)

Сосна, пырей

30-км зона ЧАЭС (250-2690 мкР/ч), Украина, 1995

Радионуклиды

Цитогенетические нарушения в проростках семян (Geras’kin et al., 2003b)

Сосна

Хранилище р/а отходов, Ленинградская обл., 1997-2002

Смешанное

Цитогенетические нарушения в проростках семян и интеркалярной меристеме хвои (Geras’kin et al., 2005)

Мышиный горошек

Свалка отходов радиевого промысла (73-3300 мкР/ч), Республика Коми, 2003-2007

Естественные радионуклиды

Эмбриональные летали, цитогенетические нарушения в проростках семян (Евсеева и др., 2007; 2008)

Сосна

Брянская обл. (60-350 мкР/ч), 2003-2008

Радионуклиды

Цитогенетические нарушения в проростках семян, полиморфизм изоферментных локусов, доля абортивных семян (Гераськин и др., 2008; Гераськин и др., 2009)

Тонконог

Семипалатинский полигон (74-3557 мкР/ч), Казахстан, 2005-2008

Радионуклиды

Цитогенетические нарушения в колеоптилях проростков (Гераськин и др., 2009)

Сайты биоиндикационных исследований на территории СИП

Опытное поле: 1949-1964: 86 воздушных и 30 наземных ядерных взрывов Мощность поглощенной в воздухе дозы более 30 мкГр/ч

Балапан: 1964-1989: 109 ядерных испытаний в скважинах Мощность поглощенной дозы в воздухе над отвалами вокруг Атомного озера более 20 мкГр/ч

Дегелен: 1961-1989: 215 ядерных испытаний в горных штольнях Мощность поглощенной в воздухе дозы более 60 мкГр/ч

Irtysh River

Семипалатинский полигон, Казахстан, 2005-2008

Тонконог 2018 мкР/ч

Семипалатинский полигон, Казахстан, 2005-2008

Частота аберрантных клеток в колеоптилях проростков тонконога

С учетом однородности участков по почвенно-климатическим условиям и содержанию тяжелых металлов, следует сделать вывод о радиационной природе наблюдаемых в популяциях тонконога цитогенетических эффектов

Correlation 2005: r = 96.3, p<4% 2006: r = 97.7, p<3% 2007: r = 78.6, p<22%

Гераськин и др. Радиационная биология. Радиоэкология. 2009. Т. 49. № 3, в печати

Новозыбковский район, 2003-2008

200 мкР/ч

11 мкР/ч

300 мкР/ч

130 мкР/ч

60 мкР/ч

Популяции растений, населяющие участки с относительно невысокими

уровнями радиоактивного загрязнения, характеризуются повышенной частотой цитогенетических нарушений

Гераськин и др. Радиационная биология. Радиоэкология. 2008. Т. 48. № 5. с. 584-595

В условиях хронического облучения в популяциях Pinus sylvestris L

достоверно возрастает частота всех изученных типов мутаций изоферментных локусов – нуль-аллели, дупликации и изменение электрофоретической подвижности

Гераськин и др. Радиационная биология. Радиоэкология. 2009. Т. 49. № 3, в печати

Внутрипопуляционное разнообразие на всех экспериментальных участках

достоверно превышает контрольный уровень и увеличивается вместе с плотностью радиоактивного загрязнения

Гераськин и др. Радиационная биология. Радиоэкология. 2009. Т. 49. № 3, в печати

Повышенная по сравнению с контролем гетерозиготность и превышение

наблюдаемой гетерозиготности над ожидаемой свидетельствует о селективном преимуществе гетерозигот в условиях хронического облучения

Гераськин и др. Радиационная биология. Радиоэкология. 2009. Т. 49. № 3, в печати

В исследованных популяциях сосны формируется семенное потомство с

высоким уровнем мутационной изменчивости, а генетическая дифференциация сравниваемых популяций в значительной степени обусловлена радиационным воздействием

Гераськин и др. Радиационная биология. Радиоэкология. 2009. Т. 49. № 3, в печати

В условиях хронического облучения формируется семенное потомство,

достоверно уступающее по репродуктивным качествам контрольному уровню

Частота аберрантных клеток в корневой меристеме проростков семян сосны

обыкновенной. Ленинградская область, 1997-2002.

Geras’kin et al. Mutation Research. 2005. V. 583. p. 55-66

Места отбора проб: 1 – Большая Ижора (контроль); 2 – Сосновый Бор; 3 – ЛСК «Радон»

Контроль

Лск

Уровень техногенного загрязнения в исследуемом районе достаточен для нарушения присущих интактным популяциям закономерностей саморазвития

Аппроксимация данных моделями: I – линейная; II и III – полиномы 3-ей и 4-ой степени.

Geras’kin et al. Mutation Research. 2005. V. 583. p. 55-66

Острое облучение семян

Характеризующиеся повышенной частотой цитогенетических нарушений семена из подвергшихся техногенному воздействию популяций демонстрируют достоверно большую устойчивость к действию дополнительного острого ?-облучения

Места отбора проб: 1 – Большая Ижора (контроль); 2 – Сосновый Бор; 3 – ЛСК «Радон»

Geras’kin et al. Mutation Research. 2005. V. 583. p. 55-66

Свалка отходов радиевого промысла, Республика Коми, 2003-2007

Мышиный горошек

3300 мкР/ч

Черные отвалы

Сопоставление полученных в 1980 и 2003 гг

результатов исследования свидетельствует о том, что до сих пор в исследуемой популяции сохраняется высокий уровень генетической и морфологической изменчивости

Свалка отходов радиевого промысла, Республика Коми, 2003-2007

Частота эмбриональных леталей и аберраций хромосом в корневой меристеме проростков семян мышиного горошка, 2003

Евсеева и др. Радиационная биология. Радиоэкология. 2007. Т. 47. № 1. С. 54-62; 2008. Т. 48. № 4. С. 493-501

Базовым уровнем построения системы радиационной защиты биоты является

популяция. Поэтому уникальное значение для ее обоснования имеет исследование популяций растений и животных, населяющих контрастные по уровню и спектру дозообразующих радионуклидов территории. Особое внимание при этом следует уделять эффектам популяционного уровня, не сводимым к элементарным механизмам биологического действия радионуклидов – феномен радиоадаптации, изменение половой, возрастной и генетической структуры популяций

Выводы

Выводы-2

Даже относительно низкие уровни техногенного загрязнения способны увеличивать генетическую изменчивость и нарушать присущие интактным популяциям закономерности саморазвития. Хроническое радиационное воздействие способно играть роль экологического фактора, меняя генетическую структуру природных популяций. В условиях экологического стресса в популяциях растений происходит отбор на повышение устойчивости к действующему фактору. Но скорость и сама возможность осуществления этого процесса может существенно различаться в разных радиоэкологических условиях

Благодарим МНТЦ (проекты 3003 и К-1328); РФФИ (проект 08-04-00631);

Фонд экологической безопасности энергетики (контракт № 5-18(359)-3-1802) и Роснауку (контракт № 02.512.11.0012) за финансовую поддержку!