НАКОПЛЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ ВОДНЫМ РАСТЕНИЕМ ELODEA CANADENSIS И ВЫЯВЛЕНИЕ ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ

Водные растения широко используются в биомониторинге водных экосистем, подверженных техногенному загрязнению. Среди водных растений особое внимание исследователей привлекают погруженные макрофиты

В связи с остановкой реакторов и сокращением масштаба радиохимического производства на ГХК, уровень радиационного воздействия на пойму реки уменьшился, о чём свидетельствует снижение накопления радионуклидов в пробах воды, донных отложений и биомассе растений р. Енисей

Цель данной работы – оценка накопления техногенных радионуклидов погруженным макрофитом Elodea canadensis Michx и выявление возможных цитогенетических эффектов в растениях, отобранных в период после остановки последнего ядерного реактора ГХК (после 2010 года).

Пробы растений и донных отложений отбирали в р. Енисей на участке протяжённостью до 100 км вниз по течению реки от г. Красноярска до с. Балчуг в период с 2014 по 2023 гг. Данный участок включает ближнюю зону наблюдения ГХК, в рамках которой были выбраны следующие районы отбора проб: сёла Атаманово и Балчуг в зоне влияния радиоактивных сбросов ГХК; г. Красноярск, с. Есаулово и с. Шивера – фоновые районы, расположенные выше по течению от ГХК, характеризующиеся отсутствием загрязнений радиационной природы (Табл.1). Села Атаманово и Балчуг расположены на расстоянии 5 и 15 км по течению реки от района предполагаемого сброса ГХК. Ранее в 1999-2008 годах пробы водных растений, включая элодею, были отобраны вблизи этих двух сел и проанализированы на содержание радионуклидов

Для оценки радиотоксичности использовали цитогенетические параметры корневой меристемы элодеи канадской Elodea canadensis Michx., отобранной в разных районах р. Енисей (Табл. 1). Корни фиксировали непосредственно после отбора в фиксаторе Кларка (3:1) в течение 24 часов, затем готовили давленые препараты и производили учёт клеток с цитогенетическими нарушениями по стандартной методике, описанной ранее

Статистический анализ осуществляли с помощью программ Microsoft Office Excel 2013 и PAST 4.11. На основании распределения наличие различий между сравниваемыми группами в пределах одного временного интервала определяли с помощью критерия Краскела-Уоллиса. Попарное сравнение совокупностей производили при помощи U-критерия Манна-Уитни с поправкой Холма. Заданный уровень значимости составлял 0,05. В таблицах представлены средние значения со стандартной ошибкой M ± SE.

Оценка накопления техногенных радионуклидов в биомассе Elodea canadensis, отобранной в разных районах р. Енисей после остановки последнего реактора ГХК. В пробах донных отложений фоновых районов (Красноярск, Есаулово, Шивера), расположенных выше по течению реки относительно района размещения ГХК, из техногенных радионуклидов обнаружен только 137Cs с удельной активностью не более 5 Бк/кг (табл. 2). Донные отложения в зоне влияния ГХК (Атаманово, Балчуг) содержали широкий спектр техногенных гамма-излучающих радионуклидов, среди которых основными являлись 60Co, 137Cs, 152Eu и трансурановый радионуклид 241Am. В этой зоне существенный вклад в суммарную активность техногенных радионуклидов вносил долгоживущий 137Cs (табл. 2). Известно, что в период совместной работы реакторного и радиохимического заводов ГХК до 2010 года общая активность техногенных радионуклидов в поверхностных слоях донных отложений вблизи сбросов комбината составляла 3200 Бк/кг

Водный макрофит элодея накапливает радионуклиды как из воды, так и донных отложений. В районе г. Красноярск и далее по течению реки до района сбросов ГХК содержание техногенного радионуклида 137Cs в донных отложениях регистрируется на низком уровне глобальных выпадений – до 5 Бк/кг (табл.2) и содержание 137Cs в биомассе элодеи не превышает 0.5 Бк/кг во все даты отбора (табл. 3). Вблизи сбросов ГХК в период до остановки последнего реактора ГХК в 2010 году в биомассе элодеи регистрировали около 15 техногенных радионуклидов, в основном активационного происхождения

В период после остановки реактора, техногенные радионуклиды поступают в биомассу растений в основном из донных отложений. На основании полученных данных по удельной активности радионуклидов (табл. 2 и 3) были рассчитаны коэффициенты накопления (КН) как отношение удельной активности радионуклида в биомассе элодеи к удельной активности радионуклида в донных отложениях. Из данных таблицы 4 следует, что КН природного радионуклида 40K достигает 2.9, что свидетельствует об активном накоплении радионуклида биомассой (КН>1). Для техногенных радионуклидов КН составил 1 только для трансуранового элемента 241Am в период с 2004 по 2015 год, в другие периоды времени КН 241Am биомассой элодеи не превышал 0.5. Коэффициент накопления 60Co биомассой элодеи варьирует от 0.09 до 0.18 и превышает КН 137Cs (<0.1). Для радионуклида 152Eu КН в несколько раз меньше КН других радионуклидов. Это может быть объяснено тем, что 152Eu не является биогенным элементом и не имеет элемента-аналога для растений. Трансурановый элемент 241Am также не имеет биогенного элемента-аналога, но в отличии от 152Eu может накапливаться биомассой растений (табл.4). Следовательно, КН радионуклидов биомассой элодеи могут быть ранжированы следующим образом:

– для периода времени 2004-2015 год – КН 40K>241Am>60Co>137Cs>152Eu;

– для периода времени 2016-2023 год – КН 40K>60Co≈ 241Am>137Cs≈152Eu. 

Оценка уровня и спектра цитогенетических нарушений в корнях водного растения Elodea canadensis, отобранного в разных районах р. Енисей после остановки последнего реактора ГХК. Во введении отмечали, что пробы элодеи, отобранные в реке Енисей вблизи ГХК в период работы ядерного реактора, характеризовались не только высоким содержанием техногенных радионуклидов в биомассе, но и высоким уровнем цитогенетических нарушений в корневой меристеме. Так, в 2004–2006 годах в пробах элодеи из фонового района (г. Красноярск) частота цитогенетических нарушений составляла 3.0±0.5%, а в районах вблизи ГХК частота возрастала до 33±4%

[8]

. В 2012 году, спустя 2 года после остановки реактора ГХК, произошло снижение доли клеток с цитогенетическими нарушениями в корнях элодеи вблизи ГХК с 33% до 14% для района Атаманово и до 8% для района Балчуг. Это объяснялось, в основном, резким снижением содержания активационных техногенных радионуклидов в биомассе растений

[8]

. При этом в 2012 году, а также в период с 2012 по 2022 год суммарная частота цитогенетических нарушений в фоновых районах (Красноярск, Есаулово, Шивера) составила 4% и статистически не отличалась от данных для фонового района в период 2004–2006 год (3.0±0.5%). При дальнейшем мониторинге цитогенетических параметров элодеи в 2014-2018 и 2021-2022 годах было отмечено снижение суммарного уровня цитогенетических нарушений вблизи сбросов ГХК до 4–6% (рис. 1). Проведенный статистический анализ показал, что в отдельные периоды времени после остановки реактора ГХК суммарный уровень цитогенетических нарушений элодеи из зоны вблизи ГХК достоверно отличался от частоты нарушений элодеи из фоновых районов (рис. 1).

Рисунок 1 - Распределение суммарной частоты цитогенетических нарушений в корнях Elodea сanadensis, отобранных по течению р. Енисей после остановки реактора (2012-2022)

Примечание: данные по цитогенетике элодеи, отобранной в р. Енисей в 2012 г., приведены из работы [4]; * – суммарная частота цитогенетических нарушений данного района достоверно отличается от частоты для фонового района. Расстояние от Красноярска в км

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.94.5

Анализ спектра цитогенетических нарушений показал доминирование доли клеток с аберрациями типа «Мосты» до 50-70%, от общего числа аберраций, как для районов вблизи сбросов ГХК, так и для фоновых районов. По данным работы

[4]

в 2012 году аберрации типа «Мосты» для районов вблизи ГХК были достоверно выше данного типа аберраций для фоновых районов. В другие годы цитогенетического мониторинга уровень аберраций типа «Мосты» не отличался для районов с повышенным уровнем радиоактивного загрязнения донных отложений и фоновых районов. На втором месте по вкладу разных типов аберраций в общее число хромосомных нарушений для районов с повышенным уровнем радиоактивного загрязнения в период с 2012 по 2022 год были аберрации типа «Фрагменты», которые составляли от 20 до 40% общего уровня цитогенетических нарушений. Как следует из данных Рис. 2, в период 2012-2022 год, повышенный уровень аберрации типа «Фрагменты» регистрировался для районов вблизи сбросов ГХК (Атаманово, Балчуг) и достоверно отличался от значений для фоновых районов. На третьем месте по вкладу разных типов аберраций следует отметить блуждающие хромосомы, частота которых достоверно не отличалась для элодеи из радиоактивно загрязненных и фоновых районов реки Енисей. Для цитогенетических аберраций типа «Множественные» повышенный уровень регистрировался для районов вблизи сбросов ГХК (Атаманово, Балчуг), который достоверно отличался от значений для фоновых районов (рис. 2). Следует отметить, что в период после остановки реактора ГХК суммарный уровень цитогенетических нарушений элодеи из зоны вблизи ГХК не всегда достоверно отличался от суммарной частоты нарушений элодеи из фоновых районов (рис. 1). Однако частота двух типов цитогенетических нарушений «Фрагменты» и «Множественные» в клетках корней элодеи, отобранной из районов вблизи ГХК в период 2012-2022 год, достоверно отличалась от частоты этих типов нарушений для элодеи из фоновых районов. Возможно, данные типы аберраций «Фрагменты» и «Множественные» могут считаться параметрами цитогенетического отклика элодеи на радиоактивное загрязнение донных отложений.

Рисунок 2 - Распределение частоты двух типов цитогенетических нарушений (фрагменты и множественные) в корнях Elodea сanadensis, отобранных по течению р. Енисей после остановки реактора (2012-2022)

Примечание: * – частота данного типа цитогенетических нарушений этого района достоверно отличается от частоты для фонового района; расстояние от Красноярска в км

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.94.6

Согласно результатам, представленным в таблицах 2 и 3 очевидно, что накопление техногенных радионуклидов биомассой элодея после остановки реактора ГХК определяется удельной активностью радионуклидов в поверхностном слое донных отложений реки Енисей. В период после 2010 года содержание радионуклидов 137Cs и 152Eu в донных отложениях районов вблизи ГХК достигает сотни Бк/кг, 60Co – десятки Бк/кг, 241Am – единицы Бк/кг. В последние годы (2020-2023 гг) отмечено увеличение активности техногенных радионуклидов в донных отложениях и растениях, что связано с увеличением масштаба работ с радионуклидами на ГХК. Содержание техногенного радионуклида 137Cs в донных отложениях и растениях фоновых районов регистрируется на низком уровне в течении всего периода наблюдения, начиная с 2004 года. Удельные активности природных радионуклидов 40K и 7Be остаются стабильными в донных отложениях и растениях для всех районов и периодов отбора (2004-2023). Анализ таблицы 4 показал, что коэффициент накопления (КН) природного радионуклида 40K биомассой является максимальным, а КН 152Eu – минимальным среди всех радионуклидов. Известно, что 152Eu, как и трансурановый элемент 241Am, не имеет биогенного элемента-аналога для растений. Проведенное ранжирование радионуклидов по КН позволяет прогнозировать разную миграционную способность радионуклидов по трофическим уровням водной экосистемы.

Снижение содержания техногенных радионуклидов в донных отложениях и растениях после остановки ядерного реактора ГХК привело к снижению доли клеток с цитогенетическими нарушениями в корнях элодеи районов Атаманово-Балчуг до 8-14% в 2012 году и до 4-6 % в 2021-2022 годах (рис. 1). Для элодеи из фоновых районов реки выше по течению от ГХК суммарная частота цитогенетических нарушений не превышала в среднем 4% за все годы наблюдения. Статистический анализ данных показал, что в отдельные временные периоды суммарный уровень цитогенетических нарушений элодеи из зоны вблизи ГХК достоверно отличался от частоты нарушений элодеи из фоновых районов. При этом частота двух типов цитогенетических нарушений «Фрагменты» и «Множественные» клеток корней элодеи, отобранной из районов вблизи ГХК в период 2012-2022 год, также достоверно отличалась от частоты этих типов для элодеи из фоновых районов (рис. 2). Можно предположить, что данные типы аберраций «Фрагменты» и «Множественные» могут считаться параметрами цитогенетического отклика элодеи на радиоактивное загрязнение донных отложений. Для водных растений Phragmites australis из Чернобыльской зоны отчуждения ранее регистрировали повышенный уровень цитогенетических нарушений 5-8%, по сравнению с уровнем нарушений растений из фоновых районов (2%)

В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы:

Накопление техногенных радионуклидов биомассой элодеи после остановки реактора ГХК определяется содержанием радионуклидов в поверхностном слое донных отложений реки Енисей, удельная активность которых составляет десятки и сотни Бк/кг. При этом содержание техногенного радионуклида 137Cs в донных отложениях и растениях фоновых районов регистрируется на низком уровне в течение всего периода наблюдения (единицы и менее Бк/кг). Удельные активности природных радионуклидов 40K и 7Be остаются стабильными в донных отложениях и растениях для всех районов и периодов отбора (2004-2023).

Проведено ранжирование коэффициентов накопления (КН) радионуклидов биомассой элодеи. Коэффициент накопления природного радионуклида 40K является максимальным среди всех радионуклидов. Для техногенных радионуклидов коэффициенты накопления более чем на порядок ниже КН 40K, что характеризует низкую миграционную способность данной категории радионуклидов в водной экосистеме.

Отмечено снижение доли клеток с цитогенетическими нарушениями в корнях элодеи из районов вблизи ГХК после остановки ядерного реактора до 8-14% в 2012 году и до 4-6% в 2021-2022 годах. Однако, статистический анализ данных показал, что суммарный уровень цитогенетических нарушений, как и частота двух типов нарушений «Фрагменты» и «Множественные» клеток корней элодеи, отобранной из районов вблизи ГХК в период 2012-2022 год, все же достоверно отличались от частоты аналогичных параметров элодеи из фоновых районов. Высказано предположение, что аберрации типа «Фрагменты» и «Множественные» могут считаться параметрами цитогенетического отклика элодеи на радиоактивное загрязнение донных отложений.