Дослідження радіоємності біоти в умовах забруднення навколишнього середовища. Аналіз явищ адаптації та відновлення рослин при дії радіації. Розгляд особливостей впливу шкідливих факторів опромінення на організми, вивчаємі у сучасній радіоекології.
Аннотация к работе
ОЦІНКА ПОСТРАДІАЦІЙНОЇ АДАПТАЦІЇ ТА ВІДНОВЛЕННЯ ЗА ПОКАЗНИКАМИ РАДІОЄМНОСТІ В МОДЕЛЬНІЙ МОНОЕКОСИСТЕМІ Висвітлено результати досліджень явищ адаптації та відновлення рослин при дії іонізуючої радіації.Явище синергізму у взаємодії різних за своєю природою стресорів - дуже актуальне питання, що привертає увагу багатьох біологів, радіобіологів, радіоекологів. Для оцінки впливу радіаційного опромінення окремо, а також у комбінації із внесенням у поживне середовище солей токсичних металів на стан модельної рослинної моноекосистеми пропонується використовувати чутливий показ-ник - фактор радіоємості. Практично дуже важливо мати показники та параметри, які дозволяли б випереджаючим чином оцінювати стан біоти екосистеми й особливості розподілу та перерозподілу полютантів у реальних екосисте-мах і ландшафтах. На основі теоретичного аналізу та експериментальних досліджень нами запропоновано використовувати радіоємність і/або фактор радіоємності екосистем та її складових. Нами було запропоновано для оцінки благополуччя біоти в екосистемі використовувати як визначаючі два параметри - біомаса видів в екосистемі та їх здатність очищати/кондиціонувати середовище від відходів життедіяльності та плютантів, що потрапляють в екосистему.Показано, що фактор радіоємності біоти, що є достатньо чутливим показником стану біоти, корелює із змінами ростових показників. Показано, що зміна параметра радіоємності може слугувати адекватним показником розподілу і перерозподілу радіонуклідів в екосистемі та мірою благополуччя біоти в ній. 1 і 2 зображено залежності фактора радіоємності модельної моноекосистеми від дози різних стресових факторів. Змінюючи часовий проміжок ?t між опроміненням у цих дозах, визначають час, протягом якого формується підвищена радіостійкість (адаптивна відповідь, або радіаційний синдром), а також час, протягом якого зберігається індукована радіостійкість. Залежність фактора радіоємності біоти від часу в умовах опромінення адаптуючою дозою 1 Гр і тест-дозою гамма-опромінення 11 Гр з часовим інтервалом 48 год (відносно неопроміненого контролю). ного варіанта з часом помітно падає й досягає значень 0,7 - 0,8.Установлено, що фактор радіоємності відображає зміну стану модельної моноекосистеми як до, так і після дії гамма-опромінення та токсичного металу. Виявлено позитивний вплив на параметр радіоємності модельної моноекосистеми фракціонування токсичного фактора, що може свідчити про відновлення рослинної компоненти системи від токсичного впливу. Показано, що параметр радіоємності по трасеру (137Cs) адекватно відображає зміну стану модельної моноекосистеми й дозволяє виявити відновлювальні процеси при фракціонуванні факторів впливу.
Вывод
Нами було проведено цикл досліджень на модельній моноекосистемі - водній культурі
Параметр радіоємності 0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05 рослин кукурудзи. Показано, що фактор радіоємності біоти, що є достатньо чутливим показником стану біоти, корелює із змінами ростових показників. Показано, що чим краще проходить ростовий процес, тим вище параметр радіоємності біоти модельної моноекосистеми. Показано, що зміна параметра радіоємності може слугувати адекватним показником розподілу і перерозподілу радіонуклідів в екосистемі та мірою благополуччя біоти в ній. Таким чином, показано можливість застосовувати цей підхід з позиції теорії та моделей радіоємності для аналізу локальних екосистем [7].
На рис. 1 і 2 зображено залежності фактора радіоємності модельної моноекосистеми від дози різних стресових факторів.
Параметр радіоємності 0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0 0 0 10 20 30 40 50
Доза гамма-опромінення, Гр
50 100 150 Концентрації кадмію, МКМ/л
Рис. 1. Залежність параметра радіоємності від дози опромінення.
Адаптація і застосування теорії радіоємності
Добре відомо, що живі організми дуже чутливі до спотворень зовнішнього середовища незалежно від того, чи є вони змінами фізичних чи біотичних факторів. Пряме погіршення середовища може відображатися на організмах як у зниженні здатності до репродукції, загибелі особин та цілих видів, порушення екологічних ніш, трофічних ланцюгів, так і деградацією всього біоценозу. Ступінь пошкоджень звичайно залежить від сили пошкоджуючого фактора, а також від темпів погіршення середовища. Однак відомо, що живі системи не є пасивними перед різного роду неприямностями, вони проявляють значну пластичність, тобто можуть перебудовувати свою структуру та метаболізм таким чином, що в кінцевому випадку ці порушення стають частково або повністю нешкідливими для них. У таких випадках говорять про здатність організмів до адаптації або про їх пристосовуваність [8]. Вивчення радіоадаптивної відповіді біологічного обєкта на опромінення проявляється в експери-ментах, що здійснюються за схемою: мала доза
82
Рис. 2. Залежність параметра радіоємності від вмісту кадмію.
?t (фракція) гостра доза. Мала доза є адаптуючою, гостра доза - тестуючою. Змінюючи часовий проміжок ?t між опроміненням у цих дозах, визначають час, протягом якого формується підвищена радіостійкість (адаптивна відповідь, або радіаційний синдром), а також час, протягом якого зберігається індукована радіостійкість. У своїй роботі по вивченню закономірностей та механізмів адаптації на модельній моноекосистемі для оцінки стану рослин ми використовували параметр радіоємності. Експеримент проводився в умовах водної культури рослин кукурудзи: 4-денні проростки висаджувались в ємності 0,5 л, в які додавався 137Cs в якості трасера (рис. 3 та 4).
На рис. 3 представлено дані експеримента за схемою 1 Гр 4 год фракції 11 Гр. Ми визначали значення показника радіоємності (тобто можливість рослин накопичувати трасер) у модельній екосистемі - водній культурі рослин кукурудзи. Видно, що при опроміненні рослин гострою дозою 11 Гр значення параметра радіоємності біоти по відношенню до контроль-
ЯДЕРНА ФІЗИКА ТА ЕНЕРГЕТИКА № 2 (24) 2008
ОЦІНКА ПОСТРАДІАЦІЙНОЇ АДАПТАЦІЇ
Відн. од.
1,4 К
1,3 11Гр 1Гр
1,2 1Гр 4год 11Гр
1,1
Відн.од.
1
0,9
0,8
1,4
К
1,3 11Гр
1,2 1Гр 1Гр 48год 11Гр
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0 1 2 3 4 5 6 7
Час спостережень, доба
0,7
0 1 2 3 4 5 6 7
Час спостережень, доба
Рис. 3. Залежність фактора радіоємності біоти від часу в умовах опромінення адаптуючою дозою 1 Гр і тест-дозою гаммаtrialмінення 11 Гр із часовим інтервалом 4 год (відносно неопроміненого контролю).
Рис. 4. Залежність фактора радіоємності біоти від часу в умовах опромінення адаптуючою дозою 1 Гр і тест-дозою гамма-опромінення 11 Гр з часовим інтервалом 48 год (відносно неопроміненого контролю).
ного варіанта з часом помітно падає й досягає значень 0,7 - 0,8. З часом відбувається помітне відновлення здатності накопичувати трасер 137Cs і збільшення значення параметра радіоємності.
У варіанті, якщо після адаптуючої дози 1 Гр з часовим інтервалом 4 год рослини опромінити гострою тестуючою дозою 11Гр, ми отримуємо чіткий ефект адаптації.
Далі ми досліджували залежність адаптації від величини часового інтервалу між адаптуючою та тестуючою дозами гамма-опромінення.
На рис. 4 представлено результати досліду 1 Гр 48 год 11 Гр. Видно, що якщо після адаптуючої дози 1 Гр через 48 год рослини опромінити гострою тестуючою дозою 11 Гр, ми також отримаємо ефект адаптації. Максимум ефекту відповідає зростанню фактора радіоємності, що становить до 35 % від контролю. А ефект спостерігався раніше, ніж у попередньому досліді: на 1 - 2-й день росту водної культури рослин.
Таким чином, показано існування ефекту адаптації рослин до гострих тестуючих доз опромінення (11 Гр) при попередньому опроміненні дозою 1 Гр і різних значеннях часу між адаптуючою татестуючоюдозамигамма-опромінення.
Досліджуючи різноманітні ефекти в умовах радіонуклідного забруднення та дії хімічних полютантів, важливо встановити характер відновлювальних процесів у рослин і їх внесок у формування ефектів комбінованої дії стресорів.
Для оцінки внеску процесів відновлення в умовах дії факторів (гамма-радіації та важких металів) застосовується метод фракціонування дози гострого опромінення й внесення в середовище солі важкого металу (кадмію). У попередніх дослідженнях було показано, що ефект фракціонування дози опромінення пози-
ЯДЕРНА ФІЗИКА ТА ЕНЕРГЕТИКА № 2 (24) 2008 тивно відображається на характері динаміки як ростових показників, так і в динаміці параметра радіоємності [9].
В експерименті було проведено фракціонування радіаційного й хімічного факторів. При цьому сіль хлориду кадмію вносили двома порціями з відповідним часовим інтервалом між ними. Як і у випадку опромінення, фракціонування хімічного фактора значним чином впливало на ефект взаємодії досліджуваних факторів.
Для дослідження ролей процесів відновлення при комбінованому впливі радіаційного й хімічного фактора було проведено кількісний аналіз ролі систем відновлення в ефектах взаємодії різних факторів через їх вплив на параметри радіоємності. На основі запропонованої теоретичної моделі проведено кількісну оцінку взаємодії радіаційного та хімічного факторів за допомогою коефіцієнта синергізму. Його оцінку, на основі моделі, провели через відношення параметрів радіоємності [9]
P = ZCD ? ?Z0 , (5) Cd ?
Z Z
? де Z0 - відношення Fб/Fв контрольного варіанта; ZCD ? - це відношення для варіанта комбінованого впиву гамма-опромінення та хлориду кадмію; ZCD і Z? - відношення для незалежних впливів кожного з факторів.
Коли Р 1 - антагонізм, тобто негативна дія одного фактора зменшується під дією іншого. При Р = 1, слід очікувати просте сумування дії різних факторів.
83
А.Г. САЛІВОН, Ю.О. КУТЛАХМЕДОВ
Р 1,2
1 S4
S6 0,8
0,6
0,4 S5
0,2
Найбільш чіткий ефект синергізму спостерігався протягом усього часу досліджень і відмічався для комбінованої дії фракціонованої радіації та внесення важкого металу з часовим інтервалом між фракціями 6 год. Коли час фракціонування становить 10 і 24 год, спостерігався антогонізм у дії радіації та внесення важкого металу.
Таким чином, нами було проведено аналіз ролі систем відновлення в ефектах взаємодії різних факторів через їх вплив на параметри радіоємності. Виявлено ефекти синергізму для різних режимів комбінованої дії стресорів.
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 Час спостережень, доба3
9 10 11 12 1
Рис. 5. Динаміка коефіцієнта синергізму для різних режимів комбінованого впливу радіації та внесення важкого металу (кадмію): S4 - фракціонування кадмію і гостре опромінення; S5 - фракціонування опромінення в дозі 20 Гр і гостре внесення кадмію; S6 - використано гостре опромінення та гостре внесення хлориду кадмію.
Таким, чином, в експерименті було показано, що процеси відновлення можуть зменшувати ефект синергізму при комбінованій дії опромінення і внесення важкого металу (рис. 5).
Динаміку цього показника при різних режимах фракціонування зображено на рис. 6.
Р, відн. од. 8
7
6 год 10 год
6 24 год без фракції
5
4
3
2
11. Установлено, що фактор радіоємності відображає зміну стану модельної моноекосистеми як до, так і після дії гамма-опромінення та токсичного металу.
2. Установлено можливість випереджаючої оцінки стану модельної моноекосистеми за допомогою фактора радіоємності.
3. Виявлено позитивний вплив на параметр радіоємності модельної моноекосистеми фракціонування токсичного фактора, що може свідчити про відновлення рослинної компоненти системи від токсичного впливу.
4. Показано, що параметр радіоємності по трасеру (137Cs) адекватно відображає зміну стану модельної моноекосистеми й дозволяє виявити відновлювальні процеси при фракціонуванні факторів впливу.
5. Показано існування ефекту адаптації рослин до дії значної дози опромінення в дозі 11 Гр при попередньому опроміненні адаптуючою дозою 1 Гр для різних часових інтервалів між адаптуючою та тестуючою дозами гамма-опромінення.
6. Розроблені й реалізовані в роботі теорія та моделі радіоємності створюють перспективний новий напрямок у сучасній радіоекології.
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Час спостережень, доба
Рис. 6. Динаміка коефіцієнта синергізму для різних режимів кtrialованих впливів факторів в умовах фраtrialування з різними часовими проміжками.
Список литературы
1. Агре А.Л., Корогодин В.И. О распределении радиоактивных загрязнений в медленнообмени-ваемом водоеме // Мед. радиология. - 1960. - № 1. - С. 67 - 73.
2. Кутлахмедов Ю.А, Поликарпов Г.Г., Корогодин В.И., Кутлахмедова-Вишнякова В.Ю. Методология и методы исследования радионуклидов и других
84 техногенных загрязнителей в наземных и водных экосистемах (пособие). - К.: Медэкол, 1997.
3. Kutlakhmedov Y., Polikarpov G., Kutlakhmedova-Vyshnyakova V.Yu. Radiocapacity of Different Types of Natural Ecosystems (without man) and their Ecological Standardization Principles // J. Radioecol. -1997. - Vol. 6 (2). - P. 15 - 21.
ЯДЕРНА ФІЗИКА ТА ЕНЕРГЕТИКА № 2 (24) 2008
ОЦІНКА ПОСТРАДІАЦІЙНОЇ АДАПТАЦІЇ
4. Кутлахмедов Ю.А., Корогодин В.И., Кутлахмедова-Вишнякова В.Ю. Радиоэкология и проблемы радиоемкости наземных экосистем // Науч. тр. Полесской АЛНИС. - 2003. - Вып 4. - С. 44 - 50.
5. Пчеловская С.А., Кутлахмедов Ю.А. Исследование комбинированного влияния гамма-облучения и фракционированного внесения соли токсического металла CDCL2 на состояние модельной растительной экосистемы // Зб. наук. праць Ін-ту ядерних досл. - 2004. - № 1 (12). - С. 88 - 95.
6. Пчеловская С.А., Кутлахмедов Ю.А. Оценка неад-дитивности совместного действия химического и физического факторов окружающей среды на примере модели растительной экосистемы // Актуальні проблеми ботаніки та екології. - 2005. -Вип. 10 (1). - С. 255 - 263.
7. Пчеловська С.А., Балан П.П., Кутлахмедов Ю.О. Аналіз та моделювання радіоємності екосистем за трасером як показника благополуччя // Вісник КНУ, фізика. - 2004. - № 6. - С. 19 - 21.
8. Пчеловская С.А., Кольцова Е.Ю., Кутлахмедов Ю.А. Исследование и моделирование радиоемкости экосистем // Зб. наук. праць Ін-ту ядерних досл. - 2004. - № 2 (13). - С. 96 - 104.
ОЦЕНКА ПОСТРАДИАЦИОННОЙ АДАПТАЦИИ И ВОСТАНОВЛЕНИЯ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ РАДИОЕМКОСТИ В МОДЕЛЬНОЙ ЭКОСИСТЕМЕ
А. Г. Саливон, Ю. А. Кутлахмедов
Представлены результаты исследований явления адаптации и восстановления растений в условиях действия ионизирующей радиации. Оценка проводилась по показателям радиоемкости биоты модельной моноэкосисте-мы водной культуры растений.
THE ESTIMATION POSTRADIATIONAL ADAPTATION AND THE RECOVERING PROCESSES USING PARAMETERS OF RADIOCAPACITY ON MODEL ECOSYSTEM
A. G. Salivon, Yu. A. Kutlakhmedov
The results of investigations of effect of adaptation and the recovering processes of plants in condition of the ionizing radiation on model ecosystem are shown in this article. The estimation using the parameter of radiocapacity biotic component in water culture of plants of maize on model monoecosystem was conducted.
Надійшла до редакції 23.04.08, після доопрацювання - 14.07.08.