УДК 575.224.23

DOI: 10.24412/cl-37200-2024-46-50

ИЗУЧЕНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ И МУТАГЕННОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ АРМЕНИИ

STUDY OF GEOCHEMICAL FEATURES AND MUTAGENIC ACTIVITY OF SOIL SAMPLES FROM NATURAL AND TECHNOGENIC LANDSCAPES OF ARMENIA

Авалян Р.Э., Атоянц А.Л., Сукиасян А.Р., Агаджанян Э.А., Арутюнян Р.М.

Avalyan R.E., Atoyants A.L., Sukiasyan A. R., Aghajanyan E.A., Aroutiounian R.M.

Ереванский государственный университет, НИИ «Биология», Ереван, Армения

RI ''Biology'', Yerevan State University, Yerevan, Armenia

E-mail: re_avalyan@mail.ru

Аннотация. Для обеспечения эффективной рекультивации почв необходимо создание комплексной системы оценки, учитывающей их современное состояние и факторы, влияющие на биогеохимические процессы. В связи с этим актуальным становится фоновый мониторинг для выявления степени загрязнения антропогенно трансформированных природных территорий с применением высокочувствительных растительных тест-объектов в системе почва-растение. Проведено биотестирование уровня генотоксичности почвенных образцов пахотных земель (агроландшафтов) природных и техногенных территорий Армении с применением модельного тест-объекта традесканции (клон 02). По данным биотеста волосков тычиночных нитей традесканции (Трад-ВТН) показано достоверное повышение уровня мутационных событий (МС) в изученных почвенных образцах по сравнению с условно фоновым вариантом. Максимальное проявление рецессивных мутаций (розовых клеток) и бесцветных клеток наблюдалось в образце промышленной зоны (Раздан-3), где значения изученных параметров превысили уровень фона в 27,8 и 3,4 раза соответственно (p<0,001). По показателю невыживших волосков наибольшее значение наблюдалось в почвенном варианте Мартуни-2 и превысило уровень контроля в 3,7 раз. Проведен коррелляционный анализ зависимости уровня генетических эффектов от концентрации химических элементов (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn) в изученных почвенных образцах.

Ключевые слова: биотестирование, традесканция (клон 02), генотоксичность, загрязнение почв, агроландшафты.

Abstract. To facilitate efficient soil remediation, it is necessary to create a combined assessment system for it, taking into account the current soil conditions and the factors influencing biogeochemical processes. In this regard, background monitoring becomes relevant for identify the degree of pollution of anthropogenically transformed natural areas using highly sensitive plant test objects in the soil-plant system. The biotesting of the level of genotoxicity of soil samples from technogenic areas of Armenia was carried out using test system of the model test object Tradescantia (clone 02). The Tradescantia stamen hair mutations (Trad-SHM) bioassay is of the efficient and reliable biomonotory test system for mutagenicity of air, water and soil pollutants. Here we report a significant increase in the level of The Tradescantia clone 02 stamen hair mutations (Trad-SHM) somatic mutations in all investigated soil probes compared to phone control level (background). The maximum manifestation of these genetic effects – PC (pink cells) and colorless cells (CC) in stamen hairs was observed in Hrazdan-3 soil samples with 27.8 and 3,4 times respectively (p<0,001). In terms of stunted stamen hairs (SSH), the highest value was observed in the soil variant Martuni-2 and exceeded the control level by 3,7 times. A correlation between the somatic mutation events and concentration of chemical elements Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, and Zn was revealed.

Key words: biotesting, Tradescantia (clone 02), genotoxicity, soil pollution, agrolandscapes.

Введение. В настоящее время интенсивное промышленное и сельскохозяйственное использование природных ресурсов привело к существенным изменениям биогеохимических циклов ксенобиотиков антропогенного происхождения, к которым относятся металлы и металлоиды. Как правило, любые техногенные явления и процессы, происходящие в пределах непосредственного воздействия промышленных производств, быстро отражаются на состоянии экосистемы в целом, особенно её почвенного покрова [1]. Как важнейшая составляющая экосистемы, почва аккумулирует химические загрязняюшие вещества, в том числе и тяжелые металлы (ТМ) /металлоиды, которые опасны тем, что имеют способность к биоаккумулированию, то есть накоплению в тканях живых организмов, и при избыточных концентрациях проявляют свои токсические свойства. Как известно, регионально-экологические проблемы сельскохозяйственных ценозов (агроландшафтов), расположенных вблизи объектов промышленной инфраструктуры, в значительной степени связаны с накоплением токсичных компонентов (особенно ТМ) в почвенном покрове [2, 3]. Именно почвы сельскохозяйственных угодий являются источником загрязнения продукции для живых организмов. В связи с этим при эколого-геохимических исследованиях для регионального почвенного мониторинга природных экосистем при многокомпонентном загрязнении почв различного рода поллютантами, в том числе и тяжелыми металлами, целесообразным является применение экспресс-методов биотестирования степени загрязнения на основе чувствительных тест-систем [4, 5].

За последнее время в Республике Армения наблюдается воздействие техногенных факторов на природные ландшафты, и вследствие этого активизируются различные процессы деградации почв, что приводит к появлению антропогенно-трансформированных экосистем. Исследования по оценке экологической ситуации на территории природных и антропогенно- нарушенных ландшафтов, особенно вблизи объектов промышленной инфраструктуры, проводятся в республике недостаточно активно.

В связи с этим, целью нашего исследования являлось применение биотеста волосков тычиночных нитей модельного тест-объекта клона 02 традесканции (тест Трад-ВТН) для тестирования уровня генотоксичности почвенных образцов пахотных земель (агроландшафтов) Армении в системе почва-растение.

Материалы и методы. Материалом исследования служили почвенные образцы природных территорий вблизи индустриальной зоны г. Раздан (промышленной зоны), где, в основном, преобладают ландшафты умеренно-влажных степей и типы почвы – горные черноземы, а также – почвенные образцы близлежащих природных территорий бассейна оз. Севан (вблизи г. Гавар и г. Мартуни), где преобладают сухие степи и горно-каштановые почвы (рисунок 1). Почвенные образцы были маркированы соответственно их территориальному расположению: Раздан-1 – Раздан-5 – образцы с территории техногенной зоны в районе индустриального города Раздан; Гавар-1 – Гавар-3; Mартуни-1, Мартуни-2 – образцы с территории пахотных земель бассейна оз. Севан.

Рисунок 1. Общий вид растения традесканции (а), рецессивные точковые мутации (б) и промышленная зона Раздан (с).

Отбор почвенных проб проводился в соответствии с методикой агрохимического исследования почв сельскохозяйственных угодий. Образцы почвы отбирали в условиях сухой погоды с глубины до 20 см методом конвертов на расстоянии 100-200 м друг от друга. В каждой исследуемой почвенной группе отбиралось не менее пяти проб для формирования объединенной почвенной пробы, что позволило дать более объективную оценку накопления поллютантов. Проводился химический анализ изучаемых почвенных образцов на содержание некоторых тяжелых металлов и металлоидов (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn). Анализ почвенных проб выполняли с использованием «Портативного РФА-анализатора TermoScientific™ Niton™» X - лучевой флуоресцентный анализатор.

В качестве объекта исследований использовали растения Традесканции (клон 02), которая является уникальной тест-системой в качестве экспресс-метода генетического мониторинга in-situ для выявления мутагенных эффектов загрязнения воды, почвы и воздуха.

При проведении вегетационного эксперимента растения традесканции выращивали в сосудах с исследуемыми почвами в условиях теплицы, где поддерживался одинаковый режим для вегетации. В качестве условно фонового образца использовали образец теплицы ЕГУ, которая расположена в 30-40 км от основных регионов исследования. Полив растений проводился водопроводной водой.

Все результаты были статистически обработаны с использованием t-критерия Стьюдента и корреляционного критерия Пирсона с помощью компьютерной программы Statgraphics Centurion 16.2 (StatPoint Technologies, Inc. USA; Warrenton, VA).

Результаты и обсуждение. Качественный анализ почв по степени загрязнения имеет решающее значение для решения проблемы экологического состояния региона. Почвенный покров в наших исследованиях представлен преимущественно каштановыми почвами и черноземами. Для этих почв характерна потеря верхнего плодородного слоя при техногенном загрязнении [7]. Анализ результатов определения валового содержания исследуемых химических элементов в почвенных образцах показал, что их содержание отличалось неоднородностью и не превышало общепринятых для почвы ПДК. Особую опасность представляет загрязнение почвенного покрова вблизи промышленной зоны вокруг города Раздан, который является одним из важнейших промышленных и энергетических центров Республики Армения. Здесь расположены Разданская тепловая электростанция (РТЭС) и Разданский цементный завод (РЦЗ). В данном регионе основное внимание уделяется особенностям направления ветра. При производстве цемента загрязняющие вещества, которые распространяются в атмосфере и постепенно оседают в почве, содержат различные ТМ и токсичные компоненты. Следует отметить, что в почвенных вариантах с территории промышленного загрязнения наблюдалось повышенное содержание химических элементов – Mn, Fe и Ti. Процессы миграции ТМ в антропогенно-загрязненных районах могут быть обусловлены преобладанием в этом регионе юго-западного направления розы ветров. С учетом господствующих направлений ветра наблюдается значительное увеличение антропогенных почвенных нагрузок Fe, Ni, Co – в опытной группе Гавар и повышенное содержание хрома в группе Мартуни. Полученные результаты по учету соматических мутаций у традесканции на основании данных биотеста Трад-ВТН показали достоверное повышение частоты как РМС, так и БМС во всех изученных вариантах по сравнению с условно фоновым образцом (таблица 1).

Уровень РМС в зависимости от почвенного образца превышал фоновый в 1,6-28 раз с максимальным значением в образце Раздан-3 (12,8±1,1, при p<0,001). Высокая частота точковых мутаций наблюдалась также в образцах Гавар-3 (1,6±0,37) и Раздан-4 (1,5±0,34), где уровень мутаций превышал фоновый в 3-3,5 раза (p<0,001) соответственно. Минимальное значение соматических мутаций было отмечено в почвенных вариантах Раздан-5 и Мартуни-2, где их уровень превышал фоновый в 1,5 раза (p<0,05).

Что касается частоты БМС, то превышение фона по данным мутационным событиям было особенно отмечено в образцах индустриальной группы (Раздан), с максимальным значением данного показателя в вариантах Раздан-2 и Раздан-3, где наблюдалось превышение фона в 3-3,4 раза соответственно. В почвенной группе Гавар (Гавар-1 и Гавар-2) наблюдалось минимальное значение частоты БМС по сравнению с фоновым уровнем.

Помимо соматических мутаций (РМС и БМС) при биотестировании фиксировалось также появление карликовых (невыживших – НВ) волосков. Появление данного типа морфологических нарушений в ВТН традесканции рассматривается как дополнительный тест на выживаемость клеток в ВТН традесканции. Уровень данного показателя превысил фоновый в 2- 3,7 раз в зависимости от почвенного образца, с наибольшим значением в варианте Мартуни-2 (7,1± 0,7, при p<0,001), что может свидетельствать о наличии в данном образце токсичных компонентов, обладающих повышенной генотоксической активностью, приводящей к снижению выживаемости клеток ВТН традесканции. Минимальный уровень наблюдался в варианте Гавар-2 и Раздан-5, где он находился на уровне контроля.

Таблица Индукция генотоксических эффектов в почвенных образцахпахотных земель природных территорий Армении у клона 02 традесканции

* – p<0,05, ** – p<0,01, *** – p<0,001

Проведенный корреляционный анализ между концентрацией химических элементов и генетическими маркерами теста Трад-ВТН выявил среднюю положительную корреляцию между уровнем РМС и концентрацией Мn (r=0,62, p<0,05). Как известно, основными антропогенными источниками поступления марганца в почву являются выбросы машиностроительных и ремонтных предприятий, а также транспорта, и поэтому вероятной причиной повышенного содержания Mn в почвах на территориях данных сельскохозяйственных угодий может быть близкое расположение автодорог.

Отсутствие сопряженности мутационных событий и содержанием химических компонентов в почвенных образцах, по-видимому, может свидетельствовать о полиметаллическом куммулятивном эффекте компонентов и их суммарном действии на повышение уровня генотоксичности в клетках традесканции. Кроме того, в почвенных образцах, близлежащих к индустриальной зоне территории Раздан, могли находится токсичные компоненты техногенных выбросов индустриальной инфраструктуры (что, к сожалению, не было учтено при химическом анализе). Также для увеличения подвижности ТМ имеет большое значение тип почвы (особенно в случае горного чернозема района Раздан). Все эти факты требуют дополнительных эколого-геохимических исследований для уточнения экологической обстановки в регионе.

Заключение. На основании изучения системы почва-растение во всех исследуемых вариантах выявлен генотоксический эффект как при учете соматических мутаций (РМС и БМС), так и морфологических нарушений типа НВ в ВТН традесканции. По результатам исследования наибольший уровень всех мутационных событий (РМС и БМС), а также высокий уровень морфологических нарушений типа НВ наблюдался в почвенном варианте Раздан-3, близлежащем к индустриальной зоне, по сравнению с фоновым уровнем. Минимальным уровнем изученных показателей отличался вариант почвенной пробы Раздан-5 (особенно по частоте РМС и НВ), наиболее удаленный от промышленной зоны.

Имеющиеся в настоящее время сведения о характере действия металлов не позволяют в полной мере дать оценку их опасности из-за их возможного комбинированного действия (аддитивный токсический эффект) на растения традесканции. Для более корректной оценки полученных результатов необходимо провести детальные комплексные исследования по выявлению генотоксических эффектов и их взаимосвязи с процессами аккумуляции- трансформации химических элементов в системе почва-растение. На основании проведенного биотестирования показана целесообразность применения биотеста Трад-ВТН модельного тест- объекта традесканции (клон 02) для дальнейших исследований при геоэкологическом мониторинге состояния почв техногенно нарушенных природных территорий.