Оценка генотоксического действия рентгеновского излучения на дождевых червей Lumbricus terrestris, обитающих в почвах Полесского радиационно-экологического заповедника

  • Елена Михайловна Кадукова Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси
  • Наталия Николаевна Веялкина Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси
  • Сергей Васильевич Гончаров Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси
  • Ihor A. Cheshik Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси

Аннотация

К видам референтных животных для оценки последствий радиационного воздействия на биоту относятся дождевые черви.

В работе объектом исследования являлись дождевые черви вида Lumbricus terrestris, относящиеся к почвенной группе и обитающие в Полесском государственном радиационно-экологическом заповеднике в условиях хронического действия радиационного фактора.

Цель работы – оценить уровень повреждения генетического аппарата: частоту микроядер и двуядерных клеток, а также спонтанный уровень и скорость репарации индуцированных повреждений ДНК после воздействия острого рентгеновского излучения в дозе 4 Гр в целомоцитах у дождевых червей из популяций, населяющих почвы территорий с техногенно повышенным содержанием радионуклидов.

Рассчитанные значения мощности поглощенной дозы от 137Cs для червей вида L. terrestris, обитающих в почве на исследуемых площадках в ПГРЭЗ через 35 лет после аварии на ЧАЭС, практически во всех случаях превышают значение наиболее консервативного из существующих безопасного уровня радиационного воздействия на биоту – 10 мкГр/ч, но не достигают допустимого уровня радиационного воздействия в 10 мГр/сут, установленного для дождевых червей в 108 Публикации МКРЗ.

Установлено, что спонтанный уровень повреждения ДНК (% ДНК хвост) у дождевых червей L. terrestris, обитающих на участках с разным уровнем радиоактивного загрязнения по 137Cs, не отличались и составляли соответственно 12,04±1,32 (контрольный участок) и 14,36±2,52 (ПГРЭЗ).

Воздействие острого рентгеновского излучения в дозе 4 Гр привело через 48 часов к увеличению количества двуядерных клеток в популяциях целомоцитов, которое было существенно выше у дождевых червей, обитающих в почве участков с повышенным уровнем загрязнения радионуклидами.

Уровень повреждений ДНК у дождевых червей, обитающих в почвах территорий с повышенным радиационным фоном, через 24 ч после воздействия острого рентгеновского облучения в дозе 4 Гр снизился на 12,98 % по сравнению с соответствующим значением через 0,1 ч, а у дождевых червей группы сравнения (Гомельский район) – только на 5,88 % по сравнению с соответствующим значением.

Адаптивный ответ у особей дождевых червей вида L. terrestris, длительное время обитающих в почвах территорий ПГРЭЗ, загрязненных радионуклидами после аварии на ЧАЭС, проявлялся в виде повышенной скорости репарации ДНК и увеличении клеточной пролиферации после острого рентгеновского облучения в дозе 4Гр.

Биографии авторов

Елена Михайловна Кадукова, Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси

старший научный сотрудник лаборатории устойчивости биологических систем.

Наталия Николаевна Веялкина, Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси

кандидат биологических наук; ведущий научный сотрудник лаборатории устойчивости биологических систем.

Сергей Васильевич Гончаров, Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси

научный сотрудник лаборатории устойчивости биологических систем.

Ihor A. Cheshik, Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси

кандидат медицинских наук, доцент; директор.

Литература

  1. ICRP. A Framework for Assessing the Impact of Ionising Radiation on Non- Human Species. Publication 91. Annals of the ICRP. 2003;33(3):201–270.
  2. Kazakov SV, Utkin SS. Podkhody i printsipy radiatsionnoy zashchity vodnykh ob'yektov [Approaches and principles of radiation protection of water objects]. Moscow: Nauka; 2008. p. 318. Russian.
  3. ICRP. Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. Publication 103. Annals of the ICRP. 2007;37(2–4):1–332. DOI: 10.1016/j.icrp.2007.10.003.
  4. Smith JT, Beresford NA. Chernobyl. Catastrophe and Consequences. Berlin – New York: Springer, Chichester; 2005. 310 р.
  5. Geras’kin SA, Fesenko SV, Volkova Pyu, et al. Chto my uznali o biologicheskikh effektakh oblucheniya v khode 35-letnego analiza posledstviy avarii na Chernobyl’skoy AES? [What have we learned about the biological effects of radiation from a 35-year analysis of the consequences of the Chernobyl NPP accident?]. Radiation Biology. Radioecology. 2021(3):234–260. DOI: 10.31857/ S0869803121030061. Russian.
  6. Møller AP, Mousseau T A. Reduced abundance of insects and spiders linked to radiation at Chernobyl 20 years after the accident. Biology letters. 2009;5(3):356–359. DOI:org/10.1098/rsbl.2008.0778.
  7. Hiyama A, Nohara C, Kinjo S, et al. The biological impacts of the Fukushima nuclear accident on the pale grass blue butterfly. Scientific Reports. 2012(2):1–10.
  8. Bonzom JM, Hättenschwiler S, Lecomte-Pradines C, et al. Effects of radionuclide contamination on leaf litter decomposition in the Chernobyl exclusion zone. Science of the Total Environment. 2016;15:596–603. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2016.04.006.
  9. Deryabina TG, Kuchmel SV, Nagorskaya LL, et al. Long-term census data reveal abundant wildlife populations at Chernobyl. Current Biology. 2015;25:824–826. DOI: 10.1016/j.cub.2015.08.017.
  10. Beresford N, Horemans N, Copplestone D, et al. Towards solving a scientific controversy – the effects of ionizing radiation on the environment. Journal of Environmental Radioactivity. 2020;211:106033. DOI.org/10.1016/j. jenvrad2019.106033.
  11. Real A, Sundell-Bergman S, Knowles JF, et al. Effects of ionizing radiation on plants, fish and mammals: relevant data for environmental radiation protection. Journal of Radiological Protection. 2004;24(4А):123–137. DOI:10.1088/0952-4746/24/4a/008.
  12. Garnier-Laplace J, Della-Vedova C, Andersson P, et al. A multi-criteria weight of evidence approach for deriving ecological benchmarks for radioactive substances. Journal of Radiological Protection. 2010;30(2):215–233. DOI 10.1088/0952-4746/30/2/S02.
  13. Møller AP, Mousseau TA. Are organisms adapting to ionizing radiation at Chernobyl? Trends in Ecology & Evolution. 2016;31(4):281–289. DOI: 10.1016/j.tree.2016.01.005.
  14. Larsson CM. An overview of the ERICA integrated approach to the assessment and management of environmental risks from ionizing contaminants. Journal of Environmental Radioactivity. 2008;99(9):1364–1370. DOI: 10.1016/j.jenvrad.2007.11.019.
  15. ICRP. Environmental Protection: Transfer Parameters for Reference Animals and Plants. Publication 114. Annals of the ICRP. 2009;39(6):1–111. DOI: 10.1016/j.icrp.2011.08.009.
  16. Krivolutskiy DA. Pochvennaya fauna kak bioindikator radioaktivnykh zagryazneniy. V: Pochvennaya fauna i pochvennoye plodorodiye [Soil fauna as a bioindicator of radioactive contamination. In: Soil fauna and soil fertility]. Moscow: [publisher unknown]; 1987). p. 241–244. Russian.
  17. Gong P, Perkins EJ. Earthworm toxicogenomics: A renewed genome-wide quest for novel biomarkers and mechanistic insights. Applied Soil Ecology. 2016;104):12–24. DOI: 10.1016/j.apsoil.2015.11.005.
  18. Lapuente J, Lourenço J, Mendo SA, et al. The Comet Assay and its applications in the field of ecotoxicology: a mature tool that continues to expand its perspectives. Frontiers in Genetics. 2015;6:1–20. DOI: 10.3389/fgene.2015.00180.
  19. Šrut M. Environmental Epigenetics in Soil Ecosystems: Earthworms as Model Organisms. Toxics. 2022;10(7):1–11. DOI: 10.3390/toxics10070406.
  20. Mazur-Pączka A, Pączka G, Garczynska M. Effectiveness of Lumbricidae extracting with an environmentally friendly method. Journal of Ecological Engineering. 2020;21(5):114–119. DOI:10.12911/22998993/122237.
  21. Singh J, Singh S, Vig AP. Extraction of earthworm from soil by different sampling method: a review. Environment Development and Sustainability. 2015;18:1521–1539. DOI: 10.1007/s10668-015-9703-5.
  22. Maksimova SL, Gurina NV. Dozhdevyye chervi (Lumbricidae) fauny Belarusi: spravochnik-opredelitel [Earthworms (Lumbricidae) Fauna of Belarus: a reference book]. Minsk: Belaruskaja navuka; 2014. 56 p. Russian.
  23. Zashchita okruzhayushchey sredy: kontseptsiya i ispol’zovaniye referentnykh zhivotnykh I rasteniy. Publikatsiya MKRZ 108 [Environmental protection: concept and use of reference animals and plants. Publication MKRZ 108]. Moscow: Akadem-Print; 2013. 216 p. Russian.
  24. Niita K, et al. Recent Developments of the PHITS code. Progress in Nuclear Science and Technology. 2011;1:1–6. DOI: 10.15669/ pnst.1.368.
  25. Taranenko V, Pröhl G, Gómez-Ros J. Absorbed dose rate conversion coefficients for reference terrestrial biota for external photon and internal exposures. Journal of radiological protection. 2004:24:A35–A62. DOI:10.1088/0952-4746/24/4A/003.
  26. Ulanovsky A, Prohl G. Dosimetry for reference animals and plants: current state and prospects. Annals of the ICRP. 2012;41(3– 4):218–232. DOI: 10.1016/j.icrp.2012.06.034.
  27. Reinecke SA, Reinecke AJ. The comet assay as biomarker of heavy metal genotoxicity in earthworms. Archives of Environmental Contamination Toxicology. 2004;46(2):208–215. DOI: 10.1007/s00244-003-2253-0.
  28. Eyambe SG, Goven AJ, Fitzpatrick LC, et al. A noninvasive technique for sequential collection of earthworm (Lumbricus terrestris) leukocytes during sub chronic immunotoxicity studies. Laboratory Animals. 1991;25(1):61–67. DOI: 10.1258/002367791780808095.
  29. Tice RR, Agurell E, Anderson D, et al. Single cell gel / comet assay: guidelines for in vitro and in vivo genetic toxicology testing. Environmental and Molecular Mutagenesis. 2000;35(3):206–221. DOI: 10.1002/(sici)1098-2280(2000)35:3<206: aidem8>3.0.co;2-j.
  30. Sycheva LP. Biologicheskoye znacheniye, kriterii opredeleniya i predely var’irovaniya polnogo spektra kariologicheskikh pokazateley pri otsenke tsitogeneticheskogo statusa cheloveka [Biological significance, criteria for determining and the limits of variation of the full spectrum of cariological indicators in the assessment of the cytogenetic status of a person]. Medical genetics. 2007;6(11):3–11. Russian.
  31. Edwards CA, Bohlen PJ. Biology and Ecology of Earthworms. London: Chapman and Hall; 1996. 426 p.
  32. Maksimova SL, Mukhin YuF. Vidovoy sostav dozhdevykh chervey i ikh biotopicheskoye raspredeleniye na territorii Belarusi [The species composition of the earthworms and their biotopic distribution in Belarus]. Bulletin of the National Academy of Sciences of Belarus. Biological sciences. 2016(1):56–60. Russian.
  33. Sayles RA. Investigation of earthworms from the Chernobyl NPP Exclusion Zone and Fukushima NPP 100 km Area: uptake of 137Cs and comparison of ecological groups. [Place unknown]: Master’s Thesis; 2019. 78 p.
  34. Beresford NA, Scott EM, Copplestone D. Field effects studies in the Chernobyl Exclusion Zone: Lessons to be learnt. Journal of Environmental Radioactivity. 2020;211:1–10. DOI: 10.1016/j.jenvrad.2019.01.005.
  35. Sazykina TG, Kryshev AI, Kryshev II. Modelirovaniye radioekologicheskikh protsessov v okruzhayushchey srede [Modeling of radioecological processes in the environment]. Moscow: LLC «MASKA»; 2022. 638 p. Russian.
  36. Hasegawa M, Ito MT, Kaneko S, et al. Radiocesium concentrations in epigeic earthworms at various distances from the Fukushima Nuclear Power Plant 6 months after the 2011 accident. Journal of Environmental Radioactivity. 2013;126:8–13. DOI: 10.1016/j. jenvrad.2013.06.006.
  37. Fesenko SV, Alexakhin RM, Geras’kin SA, et al. Comparative radiation impact on biota and man in the area affected by the accident at the Chernobyl nuclear power plan. Journal of Environmental Radioactivity. 2005;80):1–25. DOI: 10.1016/j.jenvrad.2004.08.011.
  38. IAEA Safety Standards. Safety Assessment for Facilities and Activities. General Safety Requirements. No. GSR Part 4, 93 UNSCEAR 1996. Vienna: International Atomic Energy Agency; 2009. 40 p.
  39. Effects of radiation on the environment. In: United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, Report to the General Assembly. New York: [publisher unknown]; 1996. 82 p.
  40. ICRP. Environmental protection: the concept and use of reference animals and plants. Publication 108. Annals of the ICRP. 2009;4–6:1–242.
  41. Copplestone D, Johnson MS, Jones SR, et al. Radionuclide behaviour and transport in a coniferous woodland ecosystem: vegetation, invertebrates and wood mice, Apodemus sylvaticus. Science of the Total Environment. 1999;239:95–109. DOI: 10.1016/ s0048-9697(99)00294-6.
  42. Tanaka S, Takahashi T, Adati Т, et al. Radioactive cesium contamination of arthropods and earthworms after the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant Accident. Low-Dose Radiation Effects on Animals and Ecosystems. 2022. p. 43–52. DOI.org/10.1007/978-981-13-8218-5_4.
  43. Geras’kin SA, Fesenko SV, Alexakhin RM. Effects of non-human species irradiation after the Chernobyl NPP accident. Environment International. 2008;34:880–897. DOI: 10.1016/j.envint.2007.12.012.
  44. Andersson P, Garnier-Laplace J, Beresford NA, et al. Protection of the environment from ionising radiation in a regulatory context (PROTECT): proposed numerical benchmark values. Journal of Environmental Radioactivity. 2009;100:1100–1108. DOI: 10.1016/j. jenvrad.2009.05.010.
  45. Zaitsev AS, Nakamori T, Gongalsky К, et al. Ionising radiation effects on soil biota: Application of lessons learned from Chernobyl accident for radioecological monitoring. Pedobiologia. 2014;57(1):5–14. DOI: 10.1016/j.pedobi.2013.09.005.
  46. Krivolutzkii DA, Pokarzhevskii AD. Effects of radioactive fallout on soil animal populations in the 30 km zone of the Chernobyl atomic power station. Science of the Total Environment. 1992;112(1):69–77. DOI: 10.1016/0048-9697(92)90239-o.
  47. Krivolutskiy DA. Dinamika bioraznoobraziya ekosistem v usloviyakh radioaktivnogo zagryazneniya [The dynamics of ecosystem biodiversity in conditions of radioactive pollution]. Reports of the Russian Academy of Sciences. 1996(4):567–569. Russian.
  48. Sowmithra K, Harini ВР, Shetty JN, et al. Effects of acute gamma radiation on the reproductive ability of the earthworm Eisenia fetida. Journal of Environmental Radioactivity. 2015;140:11–15. DOI: 10.1016/j.jenvrad.2014.10.010.
  49. Hertel-Aas T, Oughton DH, Jaworska A, et al. Effects of chronic gamma irradiation on reproduction in the earthworm Eisenia fetida (Oligochaeta). Radiation Research. 2007;168(5):515–526. DOI: 10.1667/RR1012.1.
  50. Kalayev VN, Nechayeva MS, Kalayeva YeA. Mikroyadernyy test bukkal’nogo epiteliya rotovoy polosti cheloveka: monografiya [Micronucleus test of the buccal epithelium of the human oral cavity: Monograph]. Voronezh: Voronezh State University; 2016. 136 p. Russian.
  51. Grigorkina YeB. Ekologicheskaya spetsializatsiya melkikh mlekopitayushchikh: reaktsii na radiatsionnoye vozdeystviye i rol’ v razvitii radioadaptatsii [Environmental specialization of small mammals: reactions to the radiation effect and role in the development of radioadaptation]. Bulletin of the Irkutsk State Agricultural Academy. 2017;83:25–30. Russian.
  52. Kaneva (Rybak) AV, Belykh YeS, Maystrenko TA, et al. Uroven’ povrezhdeniy i skorost’ reparatsii DNK v kletkakh dozhdevykh chervey iz populyatsiy, dlitel’noye vremya obitayushchikh v pochve s povyshennym soderzhaniyem radionuklidov [The level of damage and the rate of DNA reparation in the cells of earthworms from populations that live for a long time in the soil with a high content of radionuclide]. Radiation biology. Radioecology. 2015(1):24–34. DOI: 10.7868/S0869803115010051. Russian.
Опубликован
2024-01-05
Ключевые слова: дождевые черви, целомоциты, мощность дозы, метод ДНК-комет, микроядра, двуядерные клетки, радиоадаптация
Поддерживающие организации Исследование проведено в рамках выполнения НИР 6 «Анализ процессов адаптации в популяциях животных разных систематических групп к хроническому действию повышенного уровня ионизирующих излучений» задания 3.07.1 подпрограммы 3 «Междисциплинарные исследования и новые зарождающиеся технологии» Государственной программы научных исследований «Конвергенция 2025» на 2021–2025 годы (№ 20210298).
Как цитировать
Кадукова, Е., Веялкина, Н., Гончаров, С., & Чешик, И. (2024). Оценка генотоксического действия рентгеновского излучения на дождевых червей Lumbricus terrestris, обитающих в почвах Полесского радиационно-экологического заповедника. Журнал Белорусского государственного университета. Экология, 4, 41-52. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/ecology/article/view/5832
Выпуск
№ 4 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Экология
Раздел
Радиоэкология и радиобиология, радиационная безопасность