139 изменения жилкования листьев тростника обыкновенного

Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека
Изменения жилкования листьев тростника обыкновенного
под воздействием инкорпорированных радионуклидов
Д.Д. Ганжа1, А.Б. Назаров3, В.Б. Рыбалка2, Г.И. Петелин2
1
ГСП «Централизованное предприятие по обращению с радиоактивными отходами»
2
Институт проблем безопасности атомных электростанций НАН Украины
3
ГСП «Чернобыльский спецкомбинат»
Changes of venation of Phragmites australis leaves,
exposed by incorporated radionuclides
D.D. Ganzha1, A.B. Nazarov3, V.B. Rybalka2, G.I. Petelin2
State Specialized Enterprise “Centralized Enterprise for the Management of Radioactive
Waste”, Kirova Str. 52, UA-07270, Chornobyl, Ukraine, dmgan@rambler.ru
2
Institute for safety problems of nuclear power plant of NASU
3
State Specialized Enterprise «Chornobyl Spetscombinat», nazarov42t@rambler.ru
1
Abstract. The results of the morph metric and anatomical investigations of venation of Phragmites australis leaves,
which have been collected within the Chernobyl NPP exclusion zone, and which were in conditions of chronic exposure
by radiation are presented. For the investigation of leaves venation the photography method and electron microscopy
one has been used. The fractal dimension of the corresponding images have been calculated. In the leaves a specific
activity of 90Sr и 137Cs have been calculated as well. Comparison of the amount of radionuclides accumulation in Phragmites australis leaves with their venation shows the close interrelation of the parameters.
Одной из важнейших характеристик высших растений,
имеющей эволюционное, систематическое и экологическое значение является жилкование листьев [4]. Результаты морфометрии жилкования листьев успешно применяются для оценки качества окружающей среды [3]. Однако,
актуальной проблемой остается разработка надежно обоснованных и информативных методов морфометрии, которые с минимальными затратами позволяли бы давать
надежную и экспрессную оценку состояния растительных
организмов в зависимости от качества окружающей среды. Одним из инструментов радиоэкологического мониторинга является эврибионтный тростник обыкновенный
(Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud). Этот вид, являясь геофитом и гидрофитом одновременно, имеет циркумполярное распространение, встречается в засоленных
и пресноводных экосистемах. Ранее нами была показана
связь некоторых морфометрических параметров жилкования листьев тростника обыкновенного с радиационным загрязнением мест обитания растений [1]. Использованный
метод страдает рядом недостатков, например, исследование проведено без сравнения с накоплением радионуклидов тростником; измерения проводили только в одном поперечном сечении листовой пластинки, увеличение числа
испытуемых сечений ведет к значительному увеличению
трудоемкости метода.
Цель данного исследования – оценка воздействия инкорпорированных 90Sr и 137Cs на жилкование листьев тростника обыкновенного методом измерения фрактальной
геометрии изображений листьев на макроскопическом и
микроскопическом уровне.
Исследования проведены в чернобыльской зоне отчуждения (ЧЗО) на протяжении 2009–2011 гг. В 2011 г.
дважды – в конце мая и июня. Листья тростника отбирали
в литоральной зоне водоемов – по одному с 30–50 стеблей
в экосистемах 6-ти водоемов ЧЗО: в озерах – Азбучин, Глу-
бокое, Далекое, в Яновском затоне р. Припять, на р. Припять в г. Чернобыль, в пруде-охладителе Чернобыльской
АЭС (рис. 1).
Из отобранных листьев тростника вырезали второй
квартиль листовой пластинки, от места прикрепления к
стеблю (рис. 2). Вырезанный фрагмент сканировали с
адаксиальной стороны в проходящем свете. Растровые
черно-белые (1 бит) изображения (макроснимки) подвергали фрактальному анализу с использованием пакета
прикладных программ ImageJ, версии 1.45s. Вычисление
фрактальной размерности D проводили по 64-м областям
увеличивающегося размера, необходимым для вписы-
Рис. 1. Обзорная карта мест наблюдений
139
Материалы IV Международной конференции, г. Томск, 4–8 июня 2013 г.
Рис. 2. Фрагмент листовой пластинки тростника обыкновенного, который используется для фрактального анализа жилкования
Рис. 3. Фрагмент макроснимка жилкования листа тростника
обыкновенного, отобранного на оз. Глубокое, увеличение 1 × 4. Жилки изображены светлыми линиями. Хорошо видна центральная, жилки второго и третьего
порядка
дования проведены с сумарной относительной погрешностью, которая не превышала 30 %.
Проведенными наблюдениями установлены пределы
значений исследуемых параметров листьев тростника за
период с августа 2009 г. по июнь 2011 г. (табл. 1).
Накопление радионуклидов листьями тростника намного более варьирует, как по срокам, так и по местам
наблюдения по сравнению со значением фрактальной
размерности жилкования. Вариабельность по местам наблюдения обусловлена тем, что они проводились в весьма контрастных условиях радионуклидного загрязнения
экосистем – от местного фона (р. Припять в г. Чернобыль)
до самого загрязнённого в ЧЗО оз. Глубокое. В вариабельность значения KSr/Cs вносит существенный вклад изменчивость погоды отдельных лет и аномально большая,
по сравнению с другими водными экосистемами ЧЗО,
концентрация 137Cs в пруда-охладителя ЧАЭС. Исходя из
этих обстоятельств, для сравнения с морфологическими
параметрами жилкования листьев тростника использована
суммарная активность 90Sr и 137Cs. Особенностей сезонного
накопления радионуклидов листьями тростника не обнаружено. Коэффициенты вариации концентрации и соотношения радионуклидов от места к месту – в 2–3 раза больше
по сравнению с таковыми за весь период наблюдений.
Значение коэффициентов вариации концентрации и соотношения радионуклидов за весь период составляет 39 %
и 58 %, соответственно. Коэффициент вариации значения
числа D, в отличие от концентрации радионуклидов, выше
за весь период (3 %), по сравнению с таковой от места к
месту (0,12 %–0,71 %).
Анализ полученных данных показывает снижение
фрактальной размерности жилкования листьев к концу
вегетационного периода. В августе, кроме того, наблюдается значительное увеличение вариабельности значения
числа D (табл. 1). Такая тенденция связана с сезонными
повреждениями листовых пластинок – дехромацией, появлением некротических пятен, повреждениями болезнями и
т.д., которые наблюдаются ближе к осени. При этом, хотя
и имеет место различие в абсолютных значениях числа D,
рассчитанного за разные сроки вегетационного периода,
их значения связаны между собой с коэффициентом корреляции 0,68.
Сравнение концентрации радионуклидов со значениями числа D, рассчитанными по макроснимкам жилкования
вания в них изображения. Рассчитанное значение D принимали за меру регулярности рисунка жилкования (самоподобия) отдельных листовых пластинок тростника. Для
каждого места наблюдений вычисляли медианное значение D всех подвергнутых анализу изображений листьев
тростника обыкновенного.
Из каждой совокупности листьев тростника, отобранных на отдельных пикетах, отбирали одну, оценочно среднюю по длине и ширине листовую пластинку, из среднего сечения которой, слева, на равном расстоянии между
центральной жилкой и краем листа вырезали насечку
для проведения микроскопии. Микроснимки выполнены
на адаксиальной стороне листьев на сканирующем электронном микроскопе РЭМ-100У. Для графического анализа микроснимки были переведены в такой же
формат, что и макроснимки листьев. На микро- Таблица 1. Значение исследуемых параметров листьев тростника обыкновенного за период проведенных наблюдений на 6-ти водных
снимках, зарегистрированных в среде MapInfo
экосистемах
Professional, рассчитывали ширину жилок ли90
Время наSr + 137Cs,
стьев тростника.
D
V, %
V, % KSr/Cs V, %
блюдений
Бк/кг
В отобранных пробах определяли удельную
активность 90Sr (радиохимическим или бетаАвгуст 2009 г.
1,888
0,71
2 208
92 0,65 96
спектрометрическим методом с измерением
Август 2010 г.*
1,797
0,22
2 266
69 0,34 89
на установке малого фона УМФ-2000 или спекМай 2011 г.
1,952
0,16
1 701
113 0,31 80
трометре энергии бета-излучения СЭБ, соот137
Июнь
2011
г.
1,949
0,12
3 952
67 0,15 56
ветственно) и Cs (гамма-спектрометрически
Примечание:
*
–
фрактальная
размерность
за
2010
г.
рассчитана
по рес использованием полупроводникового GeLi
зультатам микроскопии; 90Sr + 137Cs – суммарная удельная
детектора).
активность листьев; V – коэффициент вариации; KSr / Cs – отВсе измерения в пределах данного иссленошение концентрации 90Sr к 137Cs в листьях тростника.
140
Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека
Рис. 4. Результаты анализа связи числа D, рассчитанного для
макроснимков жилкования и суммарной концентрации
90
Sr и 137Cs в листьях тростника (июнь 2011 г.)
Рис. 5. Фрагмент микроснимка жилкования листа тростника
обыкновенного, отобранного на оз. Глубокое, увеличение 1 × 100. На снимке тёмными широкими полосами
и светлыми мелкими пятнами отображены жилки и
устьица, соответственно
листьев тростника, проведено по трём срокам наблюдения
(исключая 2010 г.). На макроснимках хорошо видно центральную жилку, жилки второго и третьего порядка (рис. 3).
Различия в изображениях жилкования листьев, отобранных в различных местообитаниях, визуально не определяются, их можно установить только инструментально.
Корреляционный и регрессионный анализ концентрации радионуклидов, с одной стороны, и фрактальной
размерности жилкования листьев тростника, с другой,
показали, что между этими параметрами имеется тесная
обратная свяь которая описывается линейной регрессией
(табл. 2). Графический пример статистического анализа
взаимозависимости описываемых параметров приведен
на рисунке 4.
Полученные результаты показывают, что уровень самоподобия изображений жилкования листьев тростника
обыкновенного закономерно возрастает пропорционально
увеличению концентрации инкорпорированных в листьях
радионуклидов. Преимущественно это происходит под
влиянием 90Sr. Очевидно, что обнаруженная тенденция
связана с анатомическими особенностями жилкования
листьев. По микроснимкам, сделанным с листьев, собранных в местах наблюдений в 2010 г., были проведены измерения толщины жилок. Значение этого параметра имеет
средней силы обратную зависимость (R2 = 0,60) от суммарной активности инкорпорированных в листьях радионуклидов. Таким образом, можно считать, что реакцией на
внутреннее облучение является формирование листьями
более тонких, плотных и регулярно расположенных жилок.
Значительное влияние на фрактальность микроснимков листьев, кроме рисунка жилок, оказывают устьица и
связанные с ними восковые выделения листьев, в большом количестве представленные на их адаксиальной стороне (рис. 5). Проведенный статистический анализ результатов исследования листьев показал, что наличествует
тесная положительная связь между значениями фрактальных чисел микроизображений и суммарной активностью
инкорпорированных радионуклидов (рис. 6).
Обнаружена обратная зависимость фрактальной размерности для микроснимков и макроснимков по отношению к суммарной активности радионуклидов. Это показывает, что на внутреннее облучение на морфологическом и
анатомическом уровнях наблюдается реакция различных
органов и тканей. Ранее нами было показано, что увеличение дозы внутреннего облучения листьев тростника ведёт
к нарушению регулярности расположения устьиц [2], что и
зафиксировано фрактальным анализом микроснимков листьев тростника (рис. 6). Другими словами, на микроуровне
Таблица 2. Результаты статистического анализа радиоэкологических и морфометрических параметров листьев тростника обыкновенного
Время наблюдений
Рис. 6. Результаты анализа связи числа D, рассчитанного для
микроснимков жилкования и суммарной концентрации
90
Sr и 137Cs в листьях тростника
Уравнение регрессии
Коэффициент
детерминации
Август 2009 г.
y = –128 237 x + 244 381
0,71
Май 2011 г.
y = –615 736 x + 1 × 106
0,85
Июнь 2011 г.
y = –1 × 10 x + 2 × 10
0,80
6
6
141
Материалы IV Международной конференции, г. Томск, 4–8 июня 2013 г.
на адаксиальной стороне листьев тростника их фрактальная геометрия в большей мере пребывает под влиянием
размещения устьиц.
Результаты проведенных исследований показали
влияние инкорпорированных в листьях тростника обыкновенного 90Sr и 137Cs на морфологию жилкования, как на
макроскопическом, так и на микроскопическом уровне.
Использованный для оценки нарушений жилкования ме-
тод измерения фрактальной геометрии листьев тростника обыкновенного позволяет давать интегральную оценку
морфологии органов и тканей растения, как на макро-, так
и на микроскопическом уровне. Установлена связь морфологической реакции растений и нарушения их анатомического строения в зависимости от радионуклидного загрязнения.
Литература
1. Ганжа Д.Д., Назаров О.Б., Ганжа Х.Д., Гудков Д.І., Обрізан
С. І. Радіаційні фактори довкілля й морфологічна реакція
листків Phragmites australis у водоймах ЗВ ЧАЕС / Міжнародна
конференції «Двадцять п’ять років Чорнобильської катастрофи. Безпека майбутнього», 20–22 квітня 2011 року,
Київ, Україна, Київ, Україна. Збірка доповідей, висновки і
рекомендації. – Київ, КІМ, Ч.2, 2011. – С.285–289.
2. Ганжа Д.Д., Рыбалка В.Б., Петелин Г.И., Назаров А.Б. Изменения устьичного аппарата листьев тростника обыкновенного под влиянием хронического радиационного
облучения / Малые дозы. Мат.-лы междунар. науч. конф. по-
священной 25-летию ин-та радиобиологии (Гомель, 26–28
сент. 2012 г.) / Ин-т радиобиологии НАН Беларуси; ред..
кол.: А.Д. Наумов (и др.). – Минск: Институт радиологии,
2012. – С.20–21.
3. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии
морфологических структур) / Утверждено Распоряжением
Росэкологии от 16.10.2003 №460-р. – М., 2003. – 25 с.
4. Тахтаджян А.Л. Основы эволюционной морфологии покрытосеменных. – Москва-Ленинград, Наука, 1964. – 236 с.
Распределение физико-химических форм 90Sr и 137Cs в двустворчатых
моллюсках озер Чернобыльской зоны отчуждения
К.Д. Ганжа, В.Г. Кленус, Д.И. Гудков
Институт гидробиологии НАНУ, Украина, krisgan@rambler.ru
The distribution of physicochemical forms of 90Sr and 137Cs in bivalves
molluscs in the lakes of the Chernobyl Exclusion Zone
Ganzha Ch.D., Klenus V.G., Gudkov D.I.
Institute of Hydrobiology of the National Academy of Sciences of Ukraine
Abstract. The distribution of the physicochemical forms of radionuclides in the bivalves of Unio tumidus Phil. and
Anodonta cygnea L. in the Chernobyl exclusion zone was studied. The features of distribution of the physicochemical
forms of 137Cs and 90Sr in different parts of teh body of the bivalves was considered.
Введение
Двустворчатые моллюски относятся к видам-индикаторам радиоактивного загрязнения водоемов. Они играют
значительную роль в процессах перераспределения и биоаккумуляции радионуклидов в водных экосистемах. Моллюскам, также, свойственна значительная биомасса среди
представителей водной фауны. Они относятся к фильтраторам воды, что является одной из причин очищения ее от
взвеси, которая часто является основной причиной радиоактивного загрязнения водных экосистем [3]. Все это свидетельствует о необходимости исследования накопления
биологически доступных радиоактивных элементов 90Sr и
137
Cs двустворчатыми моллюсками и физико-химических
форм пребывания их в водных экосистемах [4].
Материалы и методы
Для исследования были отобраны пробы двустворчатых моллюсков перловицы клиновидной (Unio tumidus Phil.)
142
из оз. Далекое и беззубки обыкновенной (Anodonta cygnea
L.) из оз. Глубокое Чернобыльской зоны отчуждения. Озеро Глубокое находится на территории левобережной поймы р. Припять на расстоянии 7 км от ЧАЭС. Озеро Далекое
находится на расстоянии 4 км от Чернобыльской АЭС. Озера являются наиболее загрязненными водоемами зоны отчуждения.
Физико-химические формы 90Sr и 137Cs в моллюсках
определялись методом последовательной экстракции на
основе методики [7], которая была нами модифицирована
для анализа двустворчатых моллюсков. Для исследования
тело моллюсков разделяли на раковины и мягкие ткани,
которые анализировали отдельно.
Измерение 137Cs проводили в препаратах на гаммаспектрометре SBS-30. Измерение активности 90Sr проводили радиохимически по оксалатной методике на установке
малого фона УМФ-2000 [1].
Исследование физико-химических форм радионуклидов в двустворчатых моллюсках перловица клиновидная