Показателем качества окружающей среды является степень чистоты поверхностных вод. В условиях активной антропогенной деятельности острой проблемой становится загрязнение природных пресных вод тяжелыми металлами, такими как свинец (Pb), кадмий (Cd), цинк (Zn), никель (Ni), медь (Cu). Они могут поступать в природные воды извне и накапливаться за счёт внутриводоёмных процессов. В формировании химического состава природных вод становится доминирующим антропогенный фактор [1].
Для городов с многопрофильной промышленностью (г. Уссурийск относится к такому типу) характерно наличие в окружающей среде целого ряда тяжёлых металлов, способных оказывать комплексное действие на живой организм, при котором наблюдается суммирование эффектов [2].
Определить концентрацию и токсическое влияние тяжёлых металлов несложно, тогда как генетическое воздействие можно определить только при помощи тест-систем.
Целью работы стало проведение оценки рекомбиногенной и мутагенной активности речной воды водотоков урбанизированной территории от степени ее загрязнения тяжёлыми металлами (Pb, Cd, Zn, Ni, Cu) с использованием растительной генетической тест-системы сои Glycine max (L.).
Материалы и методы исследования
Районом работ выбраны основные водотоки г. Уссурийска (Приморский край) – реки Раковка, Комаровка, Раздольная, которые имеют преимущественно дождевое питание. Пункты отбора проб включали различные районы водотоков (рис. 1). Верховья рек – это самые чистые участки (п. № 1 – верховье р. Комаровка, п. № 3 – верховье р. Раковка). Места интенсивного воздействия предприятий города – п. № 2 и 4 на р. Комаровка и р. Раковка соответственно. На р. Раздольная выбраны два пункта: п. № 5 – до г. Уссурийска (район с. Борисовка, расположенный до вхождения водотока в город) и п. № 6 – после очистных сооружений канализации «Уссурийск-водоканал», район, который характеризует качество речных вод после воздействия города на водоток.
Отбор проб речной воды проходил в весенний и осенний периоды 2018 г. Определение концентраций тяжёлых металлов проходило методом атомно-абсорбционной спектроскопии с электротермической атомизацией.
Генетическая тест-система «Соматический мозаицизм сои» использовалась для цитогенетического исследования проб речной воды. Эта тест-система характеризуется быстротой анализа, простотой выполнения и пригодна для тестирования наличия различных веществ, находящихся в виде растворов или эмульсий, в газообразном состоянии. Она применяется для учета соматических мутаций в листьях сои Glycine max (L.), которая гетерозиготна по гену хлорофилльной недостаточности – yellow11 (локализованному в ядерной ДНК), что позволяет дифференцированно регистрировать сразу несколько цитогенетических нарушений, таких как генные мутации (прямые и обратные), индуцированный соматический (митотический) кроссинговер, анеуплоидию и хромосомные аберрации [3]. Прорастая, семена дают расщепление на три фенотипических и генотипических класса: светло-зеленые растения (Y11y11), темно-зеленые растения (Y11Y11), желтые растения (y11y11).
Рис. 1. Схема водотоков г. Уссурийска
Семена сои Glycine max (L.) замачивали в течение суток при комнатной температуре в пробах воды, собранных из пунктов № 1–6 водотоков г. Уссурийска, тогда как контрольные семена проходили обработку в дистиллированной воде. Далее семена высеивали, выращивали до раскрытия второго сложного листа. Учет пятен проводили на верхней поверхности двух простых листьев и первого сложного листа [4]. На светло-зеленых растениях образуются три типа пятен: темно-зеленые, желтые и двойные (одна половина пятна желтого, другая – темно-зеленого цвета), тогда как на темно-зеленых и желтых растениях появляются светло-зеленые пятна. Различные виды пятен свидетельствуют о различных типах генных нарушений. Комбинация пятен на листьях растений конкретных генотипов позволяет установить возможный механизм цитогенетических нарушений.
Результаты исследования и их обсуждение
При обсуждении результатов исследований использовали значения предельно допустимых концентраций (ПДК) для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения [5]. Результаты химического анализа проб речной воды на содержание свинца (Pb), кадмия (Cd), цинка (Zn), никеля (Ni) и меди (Cu) представлены в табл. 1.
Исследование показало, что весенние пробы воды из п. № 1 (верховье р. Комаровки) и весенние пробы воды из п. № 3 (верховье р. Раковки) и из п. № 1 (верховье р. Комаровки), собранные осенью 2018 г., характеризуются самой низкой концентрацией контролируемых металлов.
Речная вода из пунктов, расположенных в центре города (п. № 2, п. № 4), содержала высокие концентрации свинца (Pb), кадмия (Cd), цинка (Zn), никеля (Ni), меди (Cu) в весенних и осенних пробах.
Осенью (0,0379 ± 0,0011 мг/л) и весной (0,0620 ± 0,0112 мг/л) 2018 г. в пробе из п. № 4 зафиксировано значительное увеличение содержания никеля. Осенние пробы воды из пунктов № 2, 3, 5, 6 содержали повышенные концентрации никеля по сравнению с весенними значениями (табл. 1).
Таблица 1
Концентрация металлов в речной воде водотоков г. Уссурийска (мг/л), n = 6
|
ПДК, мг/л № пункта |
Zn |
Cu |
Ni |
Cd |
Pb |
|
1,0 |
0,1 |
0,1 |
0,01 |
0,1 |
|
|
Весна, 2018 г. |
|||||
|
1 |
0,0092 0,003 |
0,0012 0,0005 |
0,0012 0,0004 |
0,000047 0,00002 |
0,00200 0,0011 |
|
2 |
0,0209 0,007 |
0,0029 0,0008 |
0,0167 0,0050 |
0,000239 0,00008 |
0,00418 0,0015 |
|
3 |
0,0159 0,006 |
0,0017 0,0007 |
0,0116 0,0035 |
0,000149 0,00005 |
0,00287 0,0010 |
|
4 |
0,0212 0,007 |
0,0031 0,0012 |
0,0379 0,0011 |
0,000212 0,00007 |
0,00346 0,0012 |
|
5 |
0,0201 0,007 |
0,0022 0,0009 |
0,0021 0,0003 |
0,000100 0,00004 |
0,00152 0,0005 |
|
6 |
0,0176 0,006 |
0,0026 0,0010 |
0,0021 0,0006 |
0,000094 0,00003 |
0,00144 0,0005 |
|
Осень, 2018 г. |
|||||
|
1 |
0,0098 0,003 |
0,0007 0,0003 |
0,0011 0,0002 |
0,000030 0,00001 |
0,00135 0,0005 |
|
2 |
0,0108 0,004 |
0,0027 0,0011 |
0,0252 0,0008 |
0,000200 0,00003 |
0,00315 0,0002 |
|
3 |
0,0111 0,004 |
0,0010 0,0006 |
0,0021 0,0006 |
0,000120 0,00003 |
0,00250 0,0002 |
|
4 |
0,0144 0,005 |
0,0022 0,0009 |
0,0620 0,0112 |
0,000200 0,00010 |
0,00278 0,0002 |
|
5 |
0,0080 0,003 |
0,0014 0,0006 |
0,0024 0,0007 |
0,000100 0,00010 |
0,00140 0,0002 |
|
6 |
0,0117 0,004 |
0,0012 0,0005 |
0,0025 0,0008 |
0,000070 0,00003 |
0,00130 0,0002 |
Примечание: в числителе – среднее значение, в знаменателе – отклонение от среднего значения.
Пробы воды, взятые из п. № 1 (верховье р. Комаровки) и из п. № 3 (верховье р. Раковки) весной 2018 г., а также из п. № 1 (верховье р. Комаровки) осенью 2018 г., не обладали цитогенетической активностью (табл. 2, рис. 2).
Рис. 2. Расщепление по фенотипу
Весенние пробы воды из п. № 4 и осенние пробы из п. № 2, 3 и 5 вызывают увеличение частоты прямых мутаций в 2–3 раза, а пробы воды из пунктов № 4 и 6 – в 3,1–3,7 раза по сравнению с контролем, что фенотипически проявлялось в виде светло-зелёных пятен у тёмно-зелёных растений сои [6].
Частота обратных мутаций, которая увеличивается под действием веществ, содержащихся в пробах воды из п. № 4. Фенотипически это проявляется в виде светло-зелёных пятен на листьях жёлтых растений. Были выявлены пятна без чётких границ у жёлтых растений, что объясняет их связь с изменениями хлоропластной ДНК (рис. 2).
Двойные пятна на листьях гетерозиготных светло-зелёных растений сои Glycine max (L.) являются показателем соматического кроссинговера. Была установлена индукция двойных пятен у светло-зелёных растений пробами воды, взятыми из пунктов № 2, 4, 5 осенью 2018 г.
Отметим, что осенние пробы воды, взятые из п. № 4, индуцировали все типы пятен у светло-зелёных растений гетерозиготной сои, вызывая трёхкратную индукцию одиночных пятен. Таким образом, эти пробы воды проявляют весь регистрируемый спектр нарушений (соматический кроссинговер, генные, хромосомные и геномные мутации) [7].
Таблица 2
Индукция соматического мозаицизма на листьях сои Glycine max (L.)
|
№ пункта |
Эффект появления пятен |
Механизм |
||||
|
Y11y11 |
Y11Y11 |
y11y11 |
||||
|
тёмно-зелёные пятна |
жёлтые пятна |
двойные пятна |
светло-зелёные пятна |
светло-зелёные пятна |
||
|
Весна, 2018 г. |
||||||
|
1 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
2 |
– |
± |
– |
± |
– |
ТМ, АП, ХА |
|
3 |
– |
– |
– |
– |
– |
|
|
4 |
± |
± |
– |
– |
– |
АП, ХА |
|
5 |
– |
± |
– |
– |
– |
ХА, АП |
|
6 |
– |
± |
– |
– |
– |
ХА, АП |
|
Осень, 2018 г. |
||||||
|
1 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
|
2 |
± |
± |
± |
± |
– |
СК, ХА, АП, ТМ |
|
3 |
± |
± |
– |
± |
– |
ТМ, АП |
|
4 |
+ |
+ |
± |
± |
± |
СК, ХА, АП, ТМ, хл. ДНК |
|
5 |
± |
± |
+ |
– |
– |
СК, АП, ХА |
|
6 |
+ |
± |
– |
± |
– |
ТМ, АП |
Примечание:
«+» – индукция более чем трёхкратная;
«±» – индукция слабая (двух-трёхкратная);
«–» – не наблюдается эффект;
АП – проявляется анеуплоидия;
СК – наблюдается соматический кроссинговер;
ТМ – проявляются точковые мутации;
ХА – наблюдаются хромосомные аберрации;
хл. ДНК – выявляются изменения в хлоропластной ДНК.
Осенние пробы воды, взятые из п. № 2, индуцировали все типы пятен, исключая светло-зелёные пятна у жёлтых растений. Были выявлены двойные пятна у светло-зелёных растений, которые доказывают возникновение соматического кроссинговера и одиночные пятна у светло-зелёных растений, которые могут возникать в результате соматического кроссинговера, хромосомных аберраций, геномных мутаций (анеуплоидии) и генных (точковых) мутаций (табл. 2). Предполагаемые механизмы подтверждаются также наличием светло-зелёных пятен у тёмно-зелёных растений сои.
Выводы
В результате цитогенетического исследования установлена мутагенная и рекомбиногенная активность воды из пунктов № 2, 4, 5, взятой в осенний период, и мутагенная активность из п. № 6. Слабая мутагенная активность речной воды наблюдалась в весенних пробах из пунктов № 2, 4, 5, а также в осенней пробе из № 3.
Частота появления пятен у растений сои, обработанных весенними пробами воды, превышала контроль в 2–3 раза, тогда как осенними пробами – в 2–4 раза.
В пунктах № 2 и 4 (в центре города) установлена цитогенетическая активность речной воды, связанная с локальным загрязнением рек тяжёлыми металлами, так как большинство из них являются мутагенами. Даже на уровне одной ПДК меди, никеля, цинка показали слабое мутагенное и рекомбиногенное действие на тест-системе сои Glycine max (L.). Таким образом, тестируемая вода рек урбанизированной территории, которая содержит генотоксиканты (тяжёлые металлы), индуцирует цитогенетические нарушения у растений гетерозиготной сои.