Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНОЙ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ТЕСТ-СИСТЕМЫ СОИ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВОДОТОКОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Быковская Н.В. 1 Шишлова М.А. 1 Шишлова Т.М. 1
1 Филиал ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет» (Школа педагогики)
Тяжёлые металлы считаются в настоящее время одними из приоритетных загрязнителей окружающей среды. Опасным проявлением биологической активности тяжелых металлов по отношению к живым организмам является генотоксичность. Специальные тест-системы могут определить скрытое генетическое влияние загрязнителей. Данное исследование содержит информацию об изучении зависимости генотоксической (рекомбиногенной и мутагенной) активности пресной воды водотоков г. Уссурийска Приморского края от степени её загрязнения тяжёлыми металлами, а именно свинцом (Pb), кадмием (Cd), цинком (Zn), никелем (Ni) и медью (Cu). Для оценки рекомбинантной и мутагенной активности воды была использована тест-система «Соматический мозаицизм сои», которая характеризует уровень загрязнения водотоков генотоксикантами. Данная тест-система определяет цитогенетические нарушения, такие как соматический кроссинговер, хромосомные делеции, генные (точковые) мутации, анеуплоидию. Исследования показали, что тестируемая вода содержит генотоксиканты, так как индуцирует цитогенетические нарушения. Установлена цитогенетическая (рекомбиногенная и мутагенная) активность воды из водотоков г. Уссурийска осенью 2018 г. и мутагенная активность весной 2018 г. Повышенное содержание свинца (Pb) и кадмия (Cd) в пробах воды приводит к возникновению одиночных пятен у светло-зеленых растений сои Glycine max (L.) в несколько раз по сравнению с контролем. Частота появления пятен в весенних и осенних пробах превышала контроль в 2–4 раза. Выявлена цитогенетическая активность в пробах воды, взятых в центре города. Она связана, возможно, с уровнем её загрязнения тяжёлыми металлами, которые являются мутагенами.
биотестирование
тяжёлые металлы
цитогенетическая активность воды
генетическая тест-система «соматический мозаицизм сои»
1. Хоменушко Т.И., Русак С.Н., Куриленко М.И. Оценка содержания тяжёлых металлов в поверхностных водах малых водных объектов севера России // Вода: химия и экология. 2019. № 1–2 (118). С. 9–14.
Khomenushko T.I., Rusak S.N., Kurilenko M.I. Assessment of heavy metals content in surface waters of small water bodies of northern Russia // Water: chemistry and ecology. 2019. № 1–2 (118). P. 9–14 (in Russian).
2. Быковская Н.В., Шишлова Т.М., Шишлова М.А. Цитогенетическая активность речной воды водотоков г. Уссурийска (Приморский край) // Проблемы региональной экологии. 2015. № 2. С. 107–110.
Bykovskaya N.V., Shishlova T.M., Shishlova M.A. Cytogenetic activity of river water of watercourses of Ussuriisk (Primorsky Territory) // Problems of regional ecology. 2015. № 2. P. 107–110 (in Russian).
3. Vig B.K. Soybean (Glycine max (L.) merrill) as a short-term assay for study of environmental mutagens: A report of the U. S. Environmental Protection Agency Gene-Tox Program // Mutation Research. 1982. V. 99. P. 339–347.
4. Реутова Н.В. Мутагенный потенциал ряда тяжёлых металлов // Экологическая генетика. 2015. Т. 13. № 3. С. 70–75.
Reutova N.V. Mutagenic potential of a number of heavy metals // Ecological genetics. 2015. V. 13. № 3. P. 70–75 (in Russian).
5. Гигиенические требования к охране поверхностных вод: СанПиН 2.1.5.980-2000. – Введ. 01.01.2001. М.: Стандартинформ. 2001. 18 с.
Hygienic requirements for surface water protection: SanPiN 2.1.5.980-2000. 01.01.2001. M.: Standartinform. 2001. 18 p. (in Russian).
6. Биттуева М.М. Оценка эффективности растительного теста по учёту соматических мутаций в листьях сои Glycine max. (L.) merill // Современные проблемы науки и образования. 2016. № 6. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=25810 (дата обращения: 20.03.2020).
Bittueva M.M. Evaluation of the effectiveness of a plant test taking into account somatic mutations in soybean leaves Glycine max. (L.) merill // Modern problems of science and education. 2016. № 6. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=25810 (дата обращения: 20.03.2020) (in Russian).
7. Реутова Н.В. Исследование мутагенного потенциала тяжёлых металлов с использованием сои (Glycine max. (L.) merill) линии Т219 // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2012. № 2 (46). С.140–144.
Reutova N.V. Study of the mutagenic potential of heavy metals using soybean (Glycine max. (L.) merill) line Т219 // News of Kabardino-Balkan Scientific Center of RAS. 2012. № 2 (46). P. 140–144 (in Russian).

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).

bikivs1.tif

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).

bikivs2.tif

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.


Библиографическая ссылка

Быковская Н.В., Шишлова М.А., Шишлова Т.М. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНОЙ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ТЕСТ-СИСТЕМЫ СОИ ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВОДОТОКОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ // Успехи современного естествознания. – 2020. – № 4. – С. 68-72;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37364 (дата обращения: 24.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074