Данная проблема актуальна 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. Иртыш является трансграничной рекой: помимо России, ее воду в большом объеме используют такие страны, как Казахстан и Китай, что является одной из причин обмеления ее русла. Данная ситуация усугубляется ещё и тем, что в последние десятилетия отмечается очень высокий уровень загрязнения реки: величина удельного комбинаторного индекса загрязнения воды (УКИЗВ) составила 3,51, что позволяет отнести качество воды к 3Б классу. Основными интерферентами, ежегодно превышающими предельно допустимые концентрации, являются соединения железа (2,1 ПДК среднегодовая концентрация; максимальная - 9,0 ПДК), меди (8,8 ПДК среднегодовая; 28,0 ПДК максимальная), цинка (1,6 ПДК среднегодовая; 4,0 ПДК максимальная), марганца (1,3 ПДК среднегодовая; 4,7 ПДК максимальная), фенолы (1,1 ПДК среднегодовая; 3,0 ПДК максимальная), нефтепродукты (0,7 ПДК среднегодовая; 3,2 ПДК максимальная), которые резко ухудшают качество питьевой воды [7].
В связи с этим в последнее время все чаще поднимаются вопросы о необходимости использования реки Омь как альтернативного источника питьевой воды. Однако, как и Иртыш, река Омь имеет достаточно высокий уровень загрязненности, содержит значительно большее количество соединений железа (5,8 ПДК среднегодовая концентрация; максимальная - 17,0 ПДК) по сравнению с Иртышом, а также отличительной особенностью Оми является наличие в ней гуминовых соединений - органических веществ, извлекаемых из природных продуктов (торф, бурый уголь, каменный уголь) водными растворами щелочей, высокое содержание которых приводит к тому, что показатели цветности и мутности ежегодно превышают предельно допустимые в 7-10 раз, окисляемости в 3-4 раза. Гуминовые кислоты и продукты их взаимодействия с компонентами речной воды (такие, например, как соли гуматы) влияют на ее органолептические свойства, ускоряют коррозию металла, оказывают отрицательное влияние на развитие водных микроорганизмов, изменяют химический состав, снижая содержание кислорода и влияя на ионные и фазовые равновесия [4; 7].
Высокая степень загрязненности обеих рек обуславливает необходимость водоподготовки, которая включает следующие стадии: механическое отстаивание, затем коагуляция солями алюминия, флокуляция, фильтрация и обеззараживание хлором. В результате проведения этой процедуры снижаются показатели окисляемости и цветности, но возрастает количество других вредных веществ, в частности солей алюминия и продуктов взаимодействия органических соединений с хлором, что может быть не менее вредно для человека, употребляющего данную воду как питьевую [5]. В связи с этим экологические службы города Омска и Омской области регулярно осуществляют количественный учет интерферентов, в том числе и ксенобиотиков, но, к сожалению, такой учет не всегда сопровождается качественной характеристикой, то есть определением генотоксического эффекта, которым обладает тот или иной загрязнитель, а такая оценка, безусловно, необходима [8].
В 2008-2009 гг. в течение 12 месяцев на кафедре биологии ОмГПУ проводился тщательный анализ данных о химическом составе воды из реки Омь, полученных в экологической службе Омской области, и последующее изучение генотоксических свойств питьевой воды в серии первичного скрининга на тест-объекте мягкая яровая пшеница.
Цель исследования
Провести генотоксический анализ водных проб естественного источника питьевой воды из реки Омь и выявить ее способность вызывать генные и хромосомные мутации.
Особое внимание уделялось тем показателям, уровень которых ежегодно выходит за рамки предельно допустимого - содержанию соединений железа, цветности и мутности, а также остаточному алюминию, до водоподготовки не превышающему ПДК, но накапливающемуся в больших количествах вследствие проведения процедур водоочистки, и ежемесячное их изучение показало, что самые высокие цветность, окисляемость и общее железо фиксируются в летний период года. Анализ проб воды из реки Омь до и после водоподготовки в серии первичного скрининга подтвердил данные, полученные в ходе изучения физико-химического состава, и показал, что вода реки Омь до и после водоподготовки обладает достоверным (р ≤ 0,001) токсическим и мутагенным эффектом, установленным в ходе регистрации показателей энергии прорастания, всхожести и хромосомных аберраций в растительной клетке, максимальным в варианте «водная проба июля до водоподготовки», минимальным в варианте «водная проба ноября после водоподготовки» [1].
После анализа результатов, полученных в ходе первичного скрининга, было принято решение исследовать способность воды из реки Омь до и после водоподготовки вызывать изменения копийности генетической информации и структуру гена в животной клетке, для чего в качестве следующих этапов эксперимента были выбраны такие методы оценки генотоксичности проб воды и водных растворов, как анализ хромосомных аберраций на лабораторной линии мышей и оценка рецессивных мутаций на тест-объекте Dr. Melanogaster. Анализ хромосомных аберраций в клетках костного мозга бедренных костей лабораторной линии мышей C57BL/6 проводился в 2009 году, для чего брались пробы воды до и после водоподготовки только за июль - период, показавший наивысший уровень генотоксичности по результатам оценки на растительном тест-объекте, и соответственно были получены новые данные физико-химического анализа воды из реки Омь (табл. 1).
Таблица 1
Физико-химический анализ воды из реки Омь в июле 2009 г.
|
Показатель |
ДВ |
ПВ |
|
Запах (баллы) |
3,00 |
2,00 |
|
Привкус (баллы) |
3,00 |
2,00 |
|
Мутность (мг/л) |
6,07 |
0,94 |
|
Цветность о |
220,00 |
185,00 |
|
Общее железо (мг/л) |
2,71 |
1,35 |
|
Жесткость (мг×экв/л) |
3,17 |
3,01 |
|
Остаточный алюминий (мг/л) |
0,20 |
0,50 |
|
Окисляемость (мг/л) |
25,60 |
26,60 |
Примечание: ДВ - до водоподготовки, ПВ - после водоподготовки.
При изучении показателей была выявлена схожая с июлем 2008 года закономерность: снижение содержания соединений железа (с 2,71 до 1,35 мг/л), цветности (с 220 до 185о), мутности (с 6,07 до 0,94 мг/л), возросшее в 2,5 раза (с 0,20 до 0,50 мг/л) после проведения водоподготовки содержание остаточного алюминия и подобный зафиксированному в 2008 г. небольшой подъем окисляемости (с 25,6 до 26,6 мг/л).
Материал и методы исследования
Эксперимент проводился по схеме, основанной на стандартной методике, предложенной авторским коллективом А.Д. Дурнева для тестирования фармакологических средств [6], с рядом изменений, внесенных по результатам многолетних предварительных исследований, проведенных в лаборатории генетики ОмГПУ [14]. В отличие от методики Дурнева и сотр. при изучении препаратов регистрировались как нормальные ана- и телофазы, так и патологические, содержащие фрагменты, хромосомные мосты, отстающие хромосомы и сочетанная патология [9]. Статистическая обработка цитогенетической активности проводилась по стандартной методике. Достоверность различий определялась с помощью критерия Стьюдента. В эксперименте на тест-объекте Dr. Melanogaster использовалась схема изучения рецессивных мутаций, основанная на стандартных методиках оценки показателя летальности (отсутствие красноглазых самцов) у гибридов второго поколения, полученных от скрещивания мутагенчувствительной линии Мюллер 5 и особей дикого типа, выращенных на питательной среде с добавкой изучаемого раствора. Параллельно проводился контрольный вариант - питательная среда без добавок [6; 10]. Показатель летальности опытных вариантов сравнивался с показателем контрольного с помощью критерия Стьюдента.
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты изучения способности воды из реки Омь до и после проведения водоподготовки индуцировать хромосомные аберрации в клетках костного мозга бедренных костей лабораторной линии мышей C57BL/6 свидетельствуют о том, что данные пробы в опытных вариантах (до и после водоподготовки) способны вызывать достоверное (р ≤ 0,001) повышение уровня мутирования по сравнению с контролем, показавшим 0,34‰ патологий в анафазу и 0,20‰ в телофазу, всего 0,54‰ (табл. 2).
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.
В варианте «вода из реки Омь» до водоподготовки зарегистрировано увеличение числа патологических митозов в 3 раза в анафазу (1,06‰) и в 3,5 раза в телофазу (0,69‰), всего 1,75‰, практически тот же рост количества хромосомных аберраций отмечался и в варианте «вода из реки Омь после водоподготовки» - 1,08‰ в анафазу и 0,76‰ в телофазу, общее число зарегистрированных патологий - 1,84‰. В свою очередь, между опытными вариантами достоверных различий зафиксировано не было.
При рассмотрении спектра патологий увеличение частоты хромосомных аберраций в анафазу было отмечено в обоих вариантах, по сравнению с контрольным (табл. 3), и в основном было связано с таким типом хромосомных аберраций, как множественные фрагменты, количество которых возросло более чем в 4 раза, составив 0,78‰ до водоподготовки и 0,86‰ после ее проведения, в то время как в контрольном варианте была зарегистрирована частота лишь в 0,19‰ (отличия с контролем достоверны - р ≤ 0,001; а достоверных отличий между опытными вариантами не установлено).
Таблица 3
Спектр патологий анафаз в клетках костного мозга мышей после воздействия воды из реки Омь в сравнении с контролем, ‰
|
Вариант |
Фрагменты |
Множественные фрагменты |
Соч. пат. |
|
|
Контроль |
0,09±0,03 |
0,19±0,04 |
0,06±0,02 |
|
|
июль 2009 г. |
ДВ |
0,006±0,004 |
0,78±0,05*** |
0,27±0,05*** |
|
ПВ |
0,003±0,008 |
0,86±0,06*** |
0,22±0,05*** |
|
Примечание: ДВ - до водоподготовки, ПВ - после водоподготовки;* - р ≤ 0,05; ** - р ≤ 0,01; *** - р ≤ 0,001.
Также достоверно (р ≤ 0,001) возросла и частота встречаемости такого типа нарушения митоза, как сочетанная патология. Если в контрольном варианте было зафиксировано лишь 0,06‰, то в варианте «вода из реки Омь до водоподготовки» количество данных аберраций возросло в 4,5 раза, то есть до 0,27‰, в варианте же «вода из реки Омь, прошедшая водоподготовку» показатель снизился до 0,22‰, но данное снижение достоверным не является.
Стоит отметить, что количество зафиксированных одиночных фрагментов (0,006‰ и 0,003‰ до и после водоподготовки соответственно) было достоверно меньше, чем в контрольном варианте (0,09 ‰), что, так же как и было отмечено по результатам первичного скрининга на растительной клетке, 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 (табл. 4), частота встречаемости каждой из этих патологий достоверно (р ≤ 0,001) превышала контрольные показатели.
Таблица 4
Спектр патологий телофаз в клетках костного мозга мышей после воздействия воды из реки Омь в сравнении с контролем, ‰
|
Вариант |
Фрагменты |
Множественные фрагменты |
Соч. пат. |
|
|
Контроль |
0,10±0,005 |
0,06±0,009 |
0,05±0,009 |
|
|
июль 2009 г. |
ДВ |
0,36±0,06*** |
0,19±0,04*** |
0,15±0,03*** |
|
ПВ |
0,40±0,04*** |
0,21±0,05*** |
0,15±0,04*** |
|
Примечание: ДВ - до водоподготовки, ПВ - после водоподготовки;* - р ≤ 0,05; ** - р ≤ 0,01; *** - р ≤ 0,001.
Доля патологических телофаз с фрагментами в опытных вариантах по сравнению с контролем (0,10‰) увеличилась в 3,6 раза при изучении речной воды, составив 0,36‰, и в 4 раза при изучении воды, прошедшей процедуры очистки (0,40‰). Частота встречаемости множественных фрагментов, которая в контрольном варианте была на уровне 0,06‰, до и после водоподготовки возросла в 3,2 и 3,5 раза (0,19‰, 0,21‰) соответственно, а количество сочетанных патологий в 3 раза - в обоих опытных вариантах 0,15‰, в контрольном 0,05‰.
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, не уменьшающийся при проведении водоподготовки рост числа патологий митоза клеток костного мозга млекопитающих, который вызывает комплексное действие таких загрязнителей, как соединения железа и остаточный алюминий.
Полученные в ходе эксперимента данные о способности воды реки Омь как до, так после проведения водоподготовки индуцировать изменения структуры хромосом в клетках животного организма позволили приступить к следующему этапу исследования - анализу генных мутаций на тест-объекте Dr. Melanogaster. На этом этапе проводилось исследование проб воды из реки Омь до и после водоподготовки, взятых в июле 2009 года (табл. 1). Как отмечалось ранее, данный период был выбран в связи с тем, что тесты первичного скрининга выявили максимальный уровень генотоксической активности воды в этом месяце.
В ходе оценки рецессивных мутаций на тест-объекте Dr. Melanogaster было выявлено достоверное (p ≤ 0,001) снижение количества красноглазых самцов до 48,90% в варианте «вода из реки Омь до водоподготовки», и до 44,30% после водоподготовки по сравнению с контролем (64,41%). Различия между опытными вариантами также достоверны - уровень значимости p ≤ 0,01 (табл. 5).
Таблица 5
Влияние воды из реки Омь на показатель летальности у Dr. Melanogaster (мутантная форма Muller 5) в сравнении с контролем, %
|
Вариант |
Процент красноглазых самцов в пробирке |
Показатель летальности |
|
Контроль |
64,41±1,30 |
0,0 |
|
ДВ (июль 2009 г.) |
48,90±0,98*** |
4,0*** |
|
ПВ (июль 2009 г.) |
44,30±1,15*** |
7,0*** |
Примечание: ДВ - до водоподготовки, ПВ - после водоподготовки;* - р ≤ 0,05; ** - р ≤ 0,01; *** - р ≤ 0,001.
Показатель летальности в контрольном варианте был равен нулю и достоверно возрастал до 4,0% в варианте «вода из реки Омь до водоподготовки», и до 7,0% в варианте «вода из реки Омь после водоподготовки» - эти проценты соответствуют доле Х-хромосом, несущих летальную мутацию. Опытные варианты также достоверно отличаются друг от друга (p ≤ 0,001).
Таким образом, анализ способности воды из реки Омь вызывать рецессивные летальные мутации у самцов Dr. Melanogaster показал, что при изучении речной воды число индуцированных рецессивных леталей достоверно (p ≤ 0,001) выше зафиксированного в контрольном варианте, и этот показатель также достоверно (p ≤ 0,001) возрастает в 1,75 раза после проведения стандартных процедур водоподготовки.
Рост показателя летальности в варианте «вода из реки Омь после проведения водоподготовки» позволяет сделать вывод, что снижение количества железа в воде из реки Омь (как показано в таблице 1) до 1,35 мг/л, по сравнению с 2,71 мг/л, зафиксированными в пробе воды до водоподготовки, а также снижение ее цветности с 220 до 185о не приводит к уменьшению числа вызываемых ею генных мутаций, а следовательно, к ожидаемому улучшению качества воды. В то же время возросшее содержание соединений алюминия в пробе (с 0,20 до 0,50 мг/л) и небольшое увеличение показателя окисляемости с 26,6 до 25,6 мг/л, вероятно, являются одними из основных причин усиления ее способности вызывать генные мутации.
Заключение
Сравнение данных, полученных на последнем этапе эксперимента, с результатами исследований способности воды из реки Омь индуцировать патологии митоза, то есть в серии первичного скрининга и при учете хромосомных аберраций в клетках костного мозга мышей, позволило прийти к заключению, что пробы воды из реки Омь, прошедшие процедуры водоподготовки, вызывают достоверно (p ≤ 0,001) 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.
Рецензенты:
Воробьева Т.Г., д.б.н., проф., зав. каф. биологии Омского государственного педагогического университета, г. Омск;
Богданов И.И., д.б.н., проф. каф. экологии и природопользования Омского государственного педагогического университета, г. Омск.
Библиографическая ссылка
Александрова Т.В., Нахаева В.И. ГЕНОТОКСИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВОДНЫХ ПРОБ ЕСТЕСТВЕННОГО ИСТОЧНИКА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ИЗ РЕКИ ОМЬ НА ГЕННЫЕ И ХРОМОСОМНЫЕ МУТАЦИИ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=15369 (дата обращения: 10.10.2024).