Т.В. Александрова, В.И. Нахаева

Омский государственный педагогический университет

Оценка качества питьевой воды из реки Омь до и после водоподготовки в серии биотестов на индуцирование хромосомных аберраций

Долгое время человек использовал окружающую среду в большей степени как источник ресурсов, не задумываясь о последствиях, и в течение многих десятилетий его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу, однако в настоящее время негативные последствия антропогенного воздействия на окружающую среду ощутимо сказываются на человеческой цивилизации. Среди негативных последствий хозяйственной деятельности человека для экосистем одно из лидирующих мест занимает химическое загрязнение, которое в настоящее время достигает крупных масштабов. Чрезвычайную опасность представляют химические вещества, обладающие мутагенным эффектом, которые приводят к разнообразным патологиям, поэтому, попадание подобных веществ в водоисточники вызывает реальную угрозу здоровью не только ныне живущего населения, но и его потомства [3].

Данная проблема актуальна для всех крупных городов, в которых развиты промышленность и сельское хозяйство, в том числе и для города Омска и Омской области. В настоящее время в области в качестве основных источников питьевой воды используется две реки – Иртыш и Омь. При этом Иртыш используется как основной источник, снабжающий водой город и область, а Омь как второстепенный, питающий только некоторые районы Омской области – Калачинский, Кормиловский и Нижнеомский. Состояние реки Иртыш в настоящий момент приводит к тому, что Омь рассматривают как альтернативный источник для водоснабжения города и области, несмотря на то, что вода в реке Омь также имеет высокий уровень загрязнения, который по некоторым показателям превышает регистрируемый в реке Иртыш. Среднегодовое содержание загрязняющих веществ по данным на 2009 год составляет 5,5-5,8 ПДК для соединений железа, 3,8-11,0 ПДК для соединений меди, 1,6-3,0 ПДК для соединений цинка, 12,7-26,7 ПДК для соединений марганца, 2,9-26,7 ПДК для фенолов. Помимо этого, показатели цветности и мутности в реке Омь регулярно превышают норму в 7-10 раз, а окисляемости в 3-4 раза [6].

В связи с тем, что вода этих двух рек сильно загрязнена, возникает необходимость водоподготовки, которая состоит из нескольких последовательных этапов: осветление, коагуляция солями алюминия, флокуляция, фильтрация и обеззараживание хлором. После прохождения процедуры очистки цветность и мутность воды значительно снижаются, но концентрация некоторых вредных веществ, которые не превышали ПДК до процедуры водоподготовки, наоборот, повышается [7,8]. Экологические службы Омской области постоянно осуществляют количественный учет загрязнителей, в том числе и ксенобиотиков, но такой учет не всегда сопровождается качественной характеристикой, суть которой – выявление последствий воздействия ксенобиотиков на живые организмы [2].

Кафедрой «Биологии» ОмГПУ было организовано изучение химического состава реки Омь, с марта 2008 года по февраль 2009 года включительно (12 месяцев), и было выявлено, что самые высокие показатели цветности, окисляемости и содержания общего железа отмечаются в летний период (так, в июле цветность составляла 400,0^о, железо 3,66 мг/л, окисляемость была на уровне 26,4 мг/л в июне).

В течение тех же 12 месяцев проводился эксперимент по оценке токсического и цитогенетического эффекта водных проб из реки Омь до и после водоподготовки в серии первичного скрининга на растительной клетке. Токсичность определяли по показателям энергии прорастания и всхожести семян тест-объекта мягкая яровая пшеница (Triticum aestivum L.), выращенной без внесения минеральных удобрений и гербицидов. Для визуального изучения митотических хромосом использовались клетки апикальной меристемы центральных корешков пшеницы, и проводился анализ хромосомных аберраций. Учитывались следующие разновидности патологии митоза, связанные с повреждением хромосом: фрагментация, хромосомные мосты, отставание при расхождении к полюсам, а также сочетанная патология [1,5].

На заключительном этапе исследования цитогенетического эффекта проб воды из реки Омь до и после водоподготовки проводился эксперимент на лабораторной линии мышей C57BL/6 с целью анализа хромосомных аберраций в клетках костного мозга бедренных костей [2].

При сравнении токсического эффекта водных проб с контрольным вариантом (94,0 % и энергия прорастания, и всхожесть) было установлено, что наименьшие энергия прорастания и всхожесть зарегистрированы в варианте водная проба июля до водоподготовки (74,0 %; 77,0 %, соответственно). Водные пробы июля после водоподготовки также показывают высокий уровень токсичности – 77,0 % всхожесть и 80,0 % энергия прорастания (p < 0,001). Наибольшая энергия прорастания и всхожесть, достоверно не отличимая от контроля, зарегистрирована в варианте водная проба апреля до водоподготовки (93,0 %; 96,0 %, соответственно). На том же, не отличимом от контрольного варианта, уровне достоверности находится и апрельская проба после водоподготовки (92,0 % - энергия прорастания; 94,0 % - всхожесть).

В ходе исследования мутагенного эффекта был зарегистрирован невысокий уровень естественного мутирования: контроль – 0,60 ‰ в анафазе, 0,05 ‰ в телофазе, всего 0,65 ‰, который во всех опытных вариантах повышался более чем в 6 раз в анафазу, и более чем в 50 раз в телофазу. Максимальный уровень мутирования, как в ана-, так и телофазу, был зарегистрирован в варианте водная проба июля до водоподготовки: 6,90 ‰ и 3,76 ‰ соответственно, и он немного понижался после проведения водоподготовки (табл. 1). Минимальный уровень мутирования был отмечен в варианте водная проба ноября после водоподготовки - 3,79 ‰ в ана- и 2,00 ‰ в телофазу. Достоверно не отличим от этого и показатель варианта водная проба апреля до водоподготовки.

Таблица 1.

Митотический режим клеток корневой меристемы пшеницы после воздействия воды из реки Омь в сравнении с контролем, ‰

Вариант		Анафаза		Телофаза		Итого патологий
		всего	патологий	всего	патологий
Контроль		3,26±0,16	0,60±0,08	3,29±0,07	0,05±0,01***	0,65±0,07
июль 2008 г.	ДВ	7,10±0,10	6,90±0,08***	6,65±0,09	3,76±0,08***	10,66±0,06***
	ПВ	6,66±0,12	6,55±0,06***	6,59±0,12	3,33±0,06***	9,88±0,04***

Примечание: ДВ – до водоподготовки, ПВ – после водоподготовки;* – р ≤ 0,05; ** – р ≤ 0,01; *** – р ≤ 0,001

Такую закономерность можно объяснить, прежде всего, ежемесячным колебанием содержания соединений железа (от 0,22 мг/л до 3,66 мг/л) и алюминия (от 0,02 мг/л до 0,5 мг/л). Необходимо учитывать также то, что оба эти агента могут действовать еще и комплексно, взаимодействуя друг с другом и воздействуя на живые объекты. Кроме того, на качество воды должно оказывать влияние и содержание в ней гуминовых соединений, количество которых обуславливает увеличение таких показателей как цветность, мутность и окисляемость в июле, и их снижение в апреле, марте и октябре в 3-10 раз.

В спектре патологий достоверное увеличение частоты хромосомных аберраций в анафазу наблюдалось во всех вариантах, по сравнению с контрольным, и было связано с такими повреждениями хромосом, как множественные фрагменты, максимальное количество которых было отмечено в варианте водная проба июля до водоподготовки (3,30 ‰), минимальное – в пробе апреля до водоподготовки (1,22 ‰), и сочетанная патология, максимальная в пробах июня и июля, как до (3,71 ‰ и 3,60 ‰ соответственно), так и после (3,69 ‰ и 3,66 ‰ соответственно) водоподготовки.

Патологические телофазы были представлены такими частями спектра, как одиночные и множественные фрагменты, отстающие хромосомы и сочетанная патология (отличия от контроля достоверны), и мосты (отличия недостоверны). Максимальное количество одиночных фрагментов вновь было отмечено в июльской пробе воды, не проходившей очистку, и составляло 1,01 ‰, минимальное в пробе апреля до водоподготовки – 0,38 ‰. Наименьшая частота множественных фрагментов свойственна для воды марта месяца до водоподготовки (0,50 ‰), но после прохождения процедур водоочистки проба воды этого месяца показывает наивысший уровень встречаемости данной патологии. Минимальный уровень отстающих хромосом, однако, зафиксирован в вариантах водная проба ноября и февраля после водоподготовки. Наибольшая частота встречаемости сочетанной патологии характерна для водной пробы июля до водоподготовки (0,94 ‰), а наименьший – для проб апреля и ноября после водоподготовки (0,51 ‰ для обоих месяцев).

Несмотря на то, что в контрольном варианте были зарегистрированы множественные мосты (и в ана- и в телофазу), в опытных вариантах такая патология не фиксировалась. Такая закономерность, на наш взгляд, связана с тем, что основные действующие агенты – железо, алюминий и гуминовые соединения – вызывают повреждение не одной хромосомы, что характерно для контрольного варианта, а нескольких одновременно.

Таким образом, в ходе первичного скрининга, в котором тест-объектом выступала растительная клетка, был установлен достоверный эффект токсичности (за исключением апрельской, октябрьской пробы воды из реки Омь до и после водоподготовки, а также майской пробы после водоподготовки) и мутагенности, максимальный в июле месяце, что позволило перейти к следующему этапу исследования.

Далее проводился анализ хромосомных аберраций на лабораторной линии мышей, индуцированных водой из реки Омь, для чего в июле 2009 года были получены новые данные физико-химического анализа данной пробы, которые показали схожую с июлем 2008 года закономерность, что позволило считать исследования проб целесообразными.

В ходе изучения способности воды из реки Омь индуцировать хромосомные аберрации в клетках костного мозга бедренных костей лабораторной линии мышей C57BL/6 в вариантах вода из реки Омь до и после водоподготовки зарегистрировано примерно одинаковое увеличение числа патологических митозов – в 3 раза в анафазу и в 3,5 раза в телофазу, то есть между опытными вариантами достоверных различий зафиксировано не было (табл. 1).

Таблица 2.

Митотический режим клеток костного мозга мышей после воздействия воды из реки Омь в сравнении с контролем, ‰

Вариант		Анафаза		Телофаза		Итого патологий
		всего	патологий	всего	патологий
Контроль		2,22±0,12	0,34±0,08	2,87±0,09	0,20±0,02***	0,54±0,09
июль 2009 г.	ДВ	2,19±0,11	1,06±0,06***	2,88±0,18	0,69±0,03***	1,75±0,07***
	ПВ	2,58±0,09	1,08±0,07***	2,68±0,09	0,76±0,03***	1,84±0,08***

Примечание: ДВ – до водоподготовки, ПВ – после водоподготовки;* – р ≤ 0,05; ** – р ≤ 0,01; *** – р ≤ 0,001

При рассмотрении спектра патологий увеличение частоты хромосомных аберраций в анафазу было отмечено в обоих вариантах, по сравнению с контрольным и, в основном, было связано с таким типом хромосомных аберраций, как множественные фрагменты, количество которых возросло более чем в 4 раза. Также достоверно возросла и частота встречаемости такого типа нарушения митоза, как сочетанная патология. Количество зафиксированных одиночных фрагментов было достоверно меньше, чем в контрольном варианте, что, вероятнее всего, связано со способностью комплекса основных действующих агентов, содержащихся в воде из реки Омь, вызывать повреждения большого числа хромосом одновременно.

Аберрантные телофазы были представлены такими частями спектра, как одиночные и множественные фрагменты и сочетанная патология. Доля патологических телофаз с фрагментами в опытных вариантах увеличилась в 3,6 раза при изучении речной воды и в 4 раза при изучении воды, прошедшей процедуры очистки.

Таким образом, в ходе регистрации хромосомных аберраций на тест-объекте лабораторная линия мышей C57BL/6 было установлено, что вода из реки Омь способна вызывать достоверный, по сравнению с контролем, рост числа патологий митоза клеток костного мозга млекопитающих, которое не уменьшается при проведении водоподготовки.

Сравнение результатов эксперимента с данными, полученными в исследованиях по изучению способности воды из реки Омь индуцировать патологии митоза, позволило прийти к заключению, что пробы воды из реки Омь, прошедшие процедуры водоподготовки, вызывают большее количество генных мутаций, чем пробы речной воды. В то же время, по способности индуцировать структурные изменения хромосом и патологию митотического аппарата клеток опытные варианты достоверно не отличались, находясь на одном уровне значимости, что, вероятно, объясняется способностью тех или иных агентов обуславливать определенный тип мутаций.

Литература:

1. Kodama Y, Pawel D, et al. Stable chromosome aberrations in atomic bomb survivors: Results from 25 years of investigation. Radiation Research 2001; 156:337-46

2. Дурнев А. Д. Оценка мутагенных свойств фармакологических средств / А. Д. Дурнев, Ю. А. Ревазова, О. Л. Верстакова и др. // Ведомости фармакологического комитета. – 1998. – №4. – 32 c.

3. Инге-Вечтомов С. Г. Экологическая генетика. Что это такое? / С. Г. Инге-Вечтомов // Соросовский образовательный журнал. 1998. №2. с. 59-65.

4. Красников А. А. Методика приготовления временных давленных препаратов для подсчета хромосом растений / А. А. Красников – 2004. – 10 с.

5. Назаренко Н. Н. Частота и спектр хромосомных нарушений в клетках корневой меристемы проростков пшеницы при действии мутагенов / Н. Н. Назаренко // Вестн. Харьковского национального аграрного ун–та. Сер. Биология. – 2007. – № 3(12). – С. 82–89.

6. О состоянии и об охране окружающей среды Омской области в 2009 году / Министерство сельского хозяйства и продовольствия Омской области. – Омск: ООО “Омскбланкиздат”, 2010. – 202 с.

7. Пурмаль А. П. Антропогенная токсикация планеты. Часть 1. / А. П. Пурмаль // Соросовский образовательный журнал. ‒ 1998. ‒ №9. ‒ с. 39-45.

8. Рахманин Ю. А. Совместное применение активного хлора и коагулянтов для очистки и обеззараживания питьевой воды / Ю. А. Рахманин // Гигиена и санитария. 2004. №1. с. 6-9.