Биокинетика техногенных радионуклидов водной биотой Трофический перенос радионуклидов

Биокинетика техногенных
радионуклидов водной биотой
Тема 3
Трофический перенос
радионуклидов
Тема 3
Миграция техногенных РН в
трофических сетях
биокинетика
Поглощение (uptake, intake) 
Сорбция, накопление 
Выведение
Основные термины биокинетики
• Биосорбция (ионный обмен, электростатическое
взаимодействия и пр.) – пассивное накопление – на
поверхности клеток
• Аккумуляция – активное накопление – процесс,
требующий затраты энергии – перенос во
внутриклеточное пространство
• Ассимиляция, задержка (assimilation, retention)
• задержка (retention),
• Выведение, очистка (depuration),
• биологическое полувыведение (biological half-life)
Основные термины биокинетики
• Коэффициент накопления или коэффициент
перехода (concentration factor, transfer factor)
• В радиоэкологии КН имеет любое
положительное значение
• KH>1 - накопление
биосорбция
Biosorption of 241Am by apical shoots of Elodea
Distribution of 241Am among different parts of E. canadensis shoots
241Am
241Am
content
in the biomass
241Am
per unit area
Part of the shoot
Bq
% of total
kBq/g
Bq/cm2
Apical leaves
8.7±0.7
10.3±1.2
1.5±0.4
0.8±0.1
Distal leaves
58.7±3.6
69.5±2.9
5.2±1.1
2.6±0.6
Stem
17.1±2.5
20.2±2.9
2.0±0.4
2.3±0.4
All leaves on the stem
67.4±3.3
79.8±2.9
4.0±0.9
2.0±0.3
Entire shoot
84.5±2.7
100
3.3±0.7
2.0±0.3
Activity of
241
Am
stem
distal leaves
apical leaves
new shoots
100%
80%
Apical leaf
Distal leaf
60%
40%
20%
0%
Fig. 2. Surface of Elodea leaves
1
4
6
Duration of experiment, days
8
Fig. 1. Distribution of 241Am between parts of Elodea
shoots (% of total activity in the entire shoot).
RESULTS: Distribution of 241Am
among cell compartments
Distribution of 241Am among intracellular compartments and
biomass particles of E. canadensis shoots
Fraction of 241Am
% of 241Am
(mean±SD, n=3)
Size of biomass
particles, µm
Dissolved in cytozol, bound with
macromolecules
5.2±1.2
< 0.2
Bound with cell walls,
plasmalemma, organelles
94.8±1.2
Total in biomass
100
> 0.2
Distal leaf
Homogenization of Elodea biomass
destroyed both the cells and the
majority of chloroplasts.
Fig. 3. The view of homogenized
biomass
Биоаккумуляция-накоплениеэнергозависимый процесс
Транспорт металлов в клетке контролируется
метаболически
В 1990-х (1996 – L.Kochian – pers.comm) гг выделены гены, отвечающие за
транспорт металлов в дрожжах
Семейства белков-переносчиков [Сhrispeels et al., 1999; Grotz, Guerinot, 2006 ]
ZIP (известно белее 100 белков на всех филогенетических уровнях) – отвечают за
транспорт железа, цинка через плазм. Мембрану и тонопласт;
Nramp – широкая специализация транспорта
CDF (Cation Diffusion Facilitator) найдены в бактериях, грибах, растениях, животных
– отвечают за транспорт металлов из цитоплазмы в органеллы и вывод во
внеклеточную среду.
HMA (Heavy metal ATPase) – отвечают за гомеостаз Zn и специфический транспорт
Cd
IRT (Iron Regulated Transporter) – белки - принадлежат семейству ZIP и отвечают за
транспорт железа
YSL – Fe-фитосидерофоры
И т.д.
Сhrispeels et al., The Plant Cell, Vol. 11: 661-675, 1999
Grotz, Guerinot, Biochimica et Biophys Acta 1763: 595-608, 2006
Поступление металлов в клетку
• Проникновения ионов металлов через клеточную
мембрану возможно только через специальные
белки (канальные белки, котранспортеры, АТФнасосы)
• Неэссенциальные металлы/металлоиды
проникают в клетку через «чужие» транспортеры
• Cd2+ поступает в клетку через транспортеры
Zn2+, Fe2+, и Ca2+
[Clemens, 2006. Toxic metal accumulation, responses to exposure and
mechanisms of tolerance in plants. Biochimie 88(11): 1707-19]
Биомолекулы – лиганды, которые участвуют в
связывании, переносе и хранении
накопленных металлов в растениях
•
•
•
•
Citrate
Histidine
Phytosiderophores
фитохелатины
Callahan DL, Baker AJ, Kolev SD, Wedd AG. Metal ion ligands
in hyperaccumulating plants J Biol Inorg Chem. 2006
Jan;11(1):2-12.
Clemens, 2006. Toxic metal accumulation, responses to
exposure and mechanisms of tolerance in plants.
Biochimie 88(11): 1707-19
Что такое сидерофоры
Cидерофоры – специально синтезируемые при дефиците
железа и выделяемые многими микроорганизмами [Braun,
1997; Sigel, Sigel., 1998] сравнительно низкомолекулярные
вещества, которые специфически хелатируют железо(III) с
образованием прочных комплексов с константами
устойчивости порядка 1023–1035 [Braun, 1997], повышая его
биодоступность (растения либо выделяют аналогичные
вещества – фитосидерофоры, либо используют для усвоения
железа экзогенные сидерофоры микроорганизмов)
[Камнев, Перфильев, 2000].
Сидерофоры – низкомолекулярные, прочные, металхелатирующие агенты, продуцируемые большинством
микробов и растениями для связывания и доставки железа
в клетку по системам активного транспорта [ARQ]
Фитосидерофоры – семейство небелковых аминокислот
[ARQ]
Известные фитосидерофоры
Семейство фитосидерофоров мугиеновой кислоты, никотинамин
– предшественник синтеза ФС, EDTA, укс.кислота
Большинство генов, вовлеченных в биосинтез фитосидерофоров уже
клонированы [Curie C., Briat J-F. Iron transport and signaling in plants. Annu.
Rev. Plant Biol. 2003, 54: 183-206]
Сидерофоры могут образовывать
комплексы и с другими металлами
Murakami et al., Chem Letters, 1989, 2137; Von Wiren et al., Plant Physiol. 1999, 119, 1107;
Hiridate & Inoue, Soil Sci. Am. J. 1998, 62,159; Mino et al., Inorg Chem. 1981. 20, 3440
Плутоний в окружающей среде
• Считается, что плутоний в окружающей среде
существует преимущественно в виде слабо
растворимых и/или прочно сорбированных Pu(IV)
гидроксидов или оксидов и, таким образом, риск
того, что он станет мобильным или биодоступным
очень мал.
• Компоненты, которые растворяют плутоний или
изменяют его заряд могут значительно увеличить
его биодоступность и мобильность.
• Pu(IV) считается химическим аналогом Fe(III)
Микробные сидерофоры влияют на
растворимость плутония
• Microbial siderophore influence on plutonium
biogeochemistry
Neu, M.P. / Boukhalfa, H. / Ruggiero, C.E. / Lack,
J.G. / Hersman, L.E. / Reilly, S.D. , Journal of
Inorganic Biochemistry, 96 (1), p.69-69, Jul 2003
Связывание Pu(IV)
сидерофорами
Сидерофоры могут трансформировать
плутоний из различных растворов и твердого
состояния в растворимые комплексы
плутоний-сидерофор (см. рис.)
были аналогичные исследования для U (VI)
Другой вид той же структуры Pu(IV)-DFE
docked into FhuD from E. coli.
Растворимый комплекс плутонийсидерофор [Pu(IV)
(Desferrioxamine E)(H2O)3]+ из
E.coli [ARQ, 2003]
Модель исходит из гипотезы, что Pusiderophores могут занимать то же самое
место, что и Fe-siderophores (Fe(III)DFOB), не смотря на координационные
различия
Микробная трансформация плутония
(A.J.Francis) – ARQ, 2006
Бактерии (почвенные) увеличивают
растворимость Pu(IV) изменяя рН и, возможно,
посредством секреции органических кислот
(цитрата, ацетата, бутирата)
Clostridium уменьшает рН и Eh среды и
приводит к окислению плутония в более
мобильную форму Pu(IV)  Pu(III)
Pseudomonas в результате метаболизма
изменяется стабильность наиболее устойчивого
в растворе комплекса плутония с цитратом и
образуется новый комплекс плутоний-бицитрат.
Clostridium sp.
Pseudomonas
fluorescens
Biotic and abiotic redox transformations
of soil plutonium.
комплекс
плутоний –
бицитрат
Процесс фиторемедиации плутония
(плюсы и минусы использования сидерофоров) [ARQ, 2003]
Коллоквиум № 3
• Накопление РН водной биотой
Перенос РН в трофических сетях
• Эффективность трофического переноса РН;
• Биомагнификация техногенных
радионуклидов в трофической цепи.
• Биогенный вынос РН из водоемов
Трофическая цепь (р.Енисей)
Pike
Burbot
Omnivorous
Grayling
Dace
Benthophages
Gammarus
Caddish worm
zoobenthos
gammarus
(Philolimnogammarus viridis)
caddis worm (Apatania crymophila McLachlan)
24
Upper surface of
leaves of aquatic
moss
Fontinalis
antipyretica
Apical leaf
(magnification x 400 times)
Distal leaf
(magnification x 100 times)
Виды рыб
Benthophages
Piscivorous
Lota lota L. (Burbot)
Thymallus arcticus
(Pallas) - Arctic grayling
Esox lucius L. (Northern pike )
Leuciscus leuciscus
baicalensis (Dybowski) (Dace)
Omnivorous
Carassius gibelio
(Bloch) – crucian carp
Winter
Spring
Summer
Autumn
Gammarus
Caddish worm
Other
Nov
Oct
Oct
Sept
Sept
Aug
Aug
Jul
Jun
May
May
Apr
Mar
Feb
Jan
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Dec
Concentration in food bolus, %
(fresh mass)
Seasonal dynamics of grayling nutrition
Radionuclides in zoobenthos, Bq/kg
Isotope
7Be
40K
46Sc
51Cr
54Mn
58Co
60Co
65Zn
85Sr
99Mo
137Cs
144Ce
152Eu
239Np
Gammarus
Ash
60±15
849±61
16±2
105±16
27±2
24±4
1100±24
185±9
9±6
154±7
156±26
Dry mass
251±43
2
65±14
25±2
29±4
552±99
7±2
7±3
-
Caddish worm
Ash
53±13
647±43
8±1
224±19
33±2
116±6
325±101
55±3
7±4
15±2
-
Dry mass
194±36
84±14
14±2
43±4
7±1
16±6
9±2
-
28
Concentration of artificial radionuclides in
piscivorous and benthophagic fish
(whole body, fresh mass)
piscivorous
Bq/kg
Pike
benthophages
Burbot
Grayling
Dace
6
5
4
3
2
1
0
54Mn
58Co
60Co
65Zn
85Sr
103Ru
106Ru
137Cs
144Ce
Transfer factors:
from gammarides to muscles and total body of
benthoth-feeding fish
Grayling
1.5
muscles
total body
Transfer factor
Transfer factor
1.5
Dace
1
0.5
0
muscles
total body
1
0.5
0
40K
65Zn
85Sr
137Cs
40K
65Zn
85Sr 137Cs
Transfer factors:
from dace and grayling to muscles of
omnivorous fish
Burbot, muscles
Pike, muscles
3
3
Grayling
Transfer factor
Transfer factor
Grayling
Dace
2
1
0
2
Dace
1
0
K-40
ZN-65
CS-137
K-40
ZN-65
CS-137

241Pu(T =14.3г)
1/2
, 
237Np(T =2.1*106лет)
1/2
241Am(T =432.7лет)
1/2
• техногенный элемент, наиболее распространенный
изотоп америция, известен с 1944 г.;
• Один из наиболее радиотоксичных радионуклидов.
• В реке Енисей трансурановые элементы 241Am, 238Pu,
239,240Pu, 239Np обнаружены в пойменных почвах,
донных отложениях и биомассе водных растений 1,2
1.
2.
Болсуновский А.Я. и др. ДАН, 2002, 387 (2): 233-236;
Bolsunovsky et al., Radioprotection. 2009
Накопление 241Am рыбами
ВОДА
•
241Am
регистрируется в
биомассе пресноводных и
морских рыб, обитающих в
естественных водоемах1,2;
• Исследовано накопление
241Am морскими рыбами из
воды и из животной пищи3,4;
ПИЩА
• мало данных по
пресноводным рыбам!
1. Ikaheimonen T.K., Saxen R. 2002. Transuranic elements in fishes compared to 137Cs in certain lakes in Finland.
Boreal environment research 7: 99-104.
2. Гудков Д.И., Деревец В.В., Зуб Л.Н. и др. 2005. Распределение радионуклидов по основным компонентам
озерных экосистем зоны отчуждения Чернобыльской АЭС. Радиационная биология. Радиоэкология. 45
(3): 271-280.
3. Carvalho F.P., Fowler S.W., Rosa J.La. 1983. Assimilation, inter-organ transfer and excretion of americium in two
teleost fish. Marine Biology 77: 59-66.
4. Bustamante P., Teyssie J.-L., Fowler S.W., Warnau M. 2005. Assessment of the exposure pathway in the uptake
and distribution of americium and cesium in cuttlefish (Sepia officialis) at different stages of its life cycle. J Exp.
Mar. Biol. Ecol., 331 (2): 198-207.
Carassius gibelio (Bloch)
карась серебряный
• Представитель бореального
равнинного фаунистического
комплекса.
• Оседлая рыба, предпочитает
илистое дно, покрытое водной
растительностью.
• Order - Cypriniformes
• Family - Cyprinidae
• Genus – Carassius
Карася серебряного относят по типу
питания ко II трофическому уровню:
животноядные, питающиеся
беспозвоночными
Спектр питания
карася серебряного:
среднегодовой вклад водных
растений может достигать 67
%1
1. Рябов И.Н. Радиоэкология рыб
водоемов в зоне влияния аварии
на чернобыльской АЭС. М.:
Товарищество научных изданий
КМК. 2004. 215 с.
Карась в реке Енисей Вблизи с.Хлоптуново (выделено желтым)
Методика кормления
Гомогенат растений вводили в пищевод за
глоточные зубы
Шприц с
гомогенатом
Катетер
«Отрыжка»
экскременты
Проба на измерение
содержания америция
Содержание 241Am в пробах
измеряли на гамма-счетчике
Wallac 1480 Wizard 3”
(PerkenElmer, Finland)
Содержание рыб после принудительного
кормления гомогенатом растений
После принудительного кормления
рыб (5 штук) содержали раздельно
Ежедневно измеряли содержания 241Am
•В фекальных пеллетах;
•В воде
После экскретирования первой (зеленой)
фекальной пеллеты (через сутки):
- Рыб переводили на самостоятельное
кормление сухим кормом – в 1-м и 2-м
экспериментах;
- Рыб не кормили – в 3-м эксперименте
Ассимиляция америция-241 водными
животными
• рачками из микроводорослей - < 1%; 1
• двустворчатыми моллюсками из микроводорослей - до 40%; 2
• Морскими рыбами из меченых червей – 1 %;
• морскими рыбами (палтус и др) из морских лещей (метили раствором
РН) – 6-15 %3
• Пресноводными рыбами (радужная форель) из воды4;
Ассимиляция америция морскими рыбами из пищи невелика!
Ассимиляция в наших экспериментах – 4 – 12 %
1.Reinfelder J.R., Fisher N.S. The assimilation of elements ingested by marine copepods. Science, 251, 1991.
P. 794-796.
2.Reinfelder J.R., Wang W.-X., Luoma S.N., Fisher N.S. Assimilation efficiencies and turnover rates of trace
elements in marine bivalves: a comparison of oysters, clams and mussels. Marine biology. 1997, 129: 443-452.
3. Mathews T., Fisher N.S., Jeffree R.A., Teyssie J.-L. 2008. Assimilation and retention of metals in teleost and
elasmobranch fishes following dietary exposure. Mar. Ecol. Prog.Ser., 360: 1-12.
4. Vangenechten J.H.D., Van Puymbroeck S., Vanderborght O.L.J. 1989. Curium-244 and amtriciun-241 uptake
in freshwater fish. Technological and environmental chemistry 19: 147-152.
Вынос техногенных радионуклидов из
водных экосистем
О.Л. Орлов, А.И. Смагин
ИССЛЕДОВАНИЕ
ЗООГЕННОГО ВЫНОСА
РАДИОНУКЛИДОВ
РУКОКРЫЛЫМИ.
ВОПРОСЫ
РАДИАЦИОННОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ № 4, 2005.
с.12-20.
Содержание техногенных радионуклидов в
воде водоемов, в насекомых и в помете
животных
Содержание техногенных радионуклидов в в
телах летучих мышей
Коллоквиум № 4
• Трофический перенос РН