Влияние сочетанного химического и электромагнитного загрязнения на биологические свойства почв. Монография

31

1.3.2. Механизмы биологического действия электромагнитного излучения. Влияние электромагнитных полей неионизирующей природы на свойства почв

Биофизика неионизирующих излучений долгое время занимается изучением первичных механизмов действия ЭМП на живые организмы (Бинги, 2002; Кудря-

шов и др., 2008; Pool, 1990; Adey, 1993; Goodman et al., 1993; Electromagnetic fields, 1995; Biological effects…, 1996; Brocklehust, McLauchlan, 1996; Binhi, 2001; Binhi, 2002). ЭМП способно оказывать биологические эффекты в широком диапазоне амплитуд, частот и т.д. Мощные ЭМП порождают токи проводимости, нагрев в биологических тканях, а также вращения молекулярных диполей, значительные сдвиги многих реакций.

Электромагнитное поле влияет на все уровни организации жизни, его действие связано с работой многих механизмов, в основе которых лежит процесс поглощения и преобразования энергии излучения (Кудряшов и др., 2008). С электрическими диполями молекул, ионов, мембран и т.д. взаимодействует электрическая компонента магнитного поля, она же эффективно поглощается водой, магнитная компонента взаимодействует с магнитными диполями электронных спинов, носителями которых являются радикалы и ион-радикалы, парамагнитные молекулы (например, O2) и ионы металлов.

В.Н. Бинги (2002) предлагает выделять «сильные поля», превышающие 1000 мкТл, «слабые поля» – менее 1000 мкТл и «сверхслабые поля» – менее 1 мкТл.

В России предельно допустимые уровни воздействия магнитных полей на человека определены санитарным правилами и нормами СанПиН нормами СанПиН 2.2.4.723-98. (Физические факторы производственной среды «Переменные магнитные поля промышленной частоты (50 Гц) в производственных условиях», 1999). Они устанавливаются в зависимости от времени пребывания персонала для условий общего (на все тело) и локального (на конечности) воздействия (табл. 1).

Сильные поля влияют на живой объект посредством наведенных переменных токов (Schaefer, 1983; Белкин, 1999). Скорее всего, молекулярной мишенью электромагнитных полей являются ионные каналы. Ещё одной надежно установленной мишенью ЭМИ протон, так как его циклотронная частота значительно отличается от частот других биологически значимых ионов (Бинги, 2002). Магнитобиологические эффекты так же можно объяснить изменением скорости и механизма процесса диффузии (в том числе и через клеточную мембрану), ориентации биологических макромолекул, которые обладают магнитной восприимчивостью, вероятности протекания элементарных актов взаимодействия в биохимических реакциях, включая так же взаимодействие свободных радикалов с МП.

Согласно Schaefer (1983) можно выделить следующие эффекты действия

ЭМП:

1. Электрохимическое действие – воздействие за счет энергии излучения. 2. Тепловое воздействие – нагрев тканей за счет токов смещения.

3.Механическое действие на диэлектрики и электростатические заряды частей тела, вызывающие вибрацию волос и рогового слоя кожи.

4.Биохимическое действие – влияние на перемещение ионов в организме.

5.Информационное воздействие – за счет индуцирования в организме токов смещения, которые в свою очередь создают градиенты электрического напряжения и изменяют возбудимость мембран.

33

Следует учитывать, что биологические эффекты МП сильно зависят от его временной структуры и продолжительности времени от завершения магнитного воздействия до начала оценки его последствий (Еськов, Дарков, 2003).

Действие переменного магнитного поля (ПеМП) имеет преимущественно неспецифический характер, оно связано с изменениями в работе регуляторных систем (Холодов, 1994). Важную роль в этом процессе играют мембранные структуры (Бордюшков и др., 1999).

Последнее время эффектам и механизмам воздействия на биоту низких и сверхнизких ЭМП уделяется особое внимание. К ним относятся ЭМП с уровнем магнитной индукции менее 1 мТл, а также сверхнизкочастотные (СНЧ) ЭМП – 30300 Гц, куда попадают и поля промышленной частоты – 50 Гц (Плеханов, 1990; Темурьянц и др., 1992; Узденский, Кутько, 1998; Узденский, 2000; Аносов, Трухан, 2003; Сусак и др., 2005; Бинги, 2002; Бинги и др., 2006; Новиков и др., 2007; Hafemeister, 1996; Belyaev et al., 2000b, 2001; Olsson et al., 2001; Verheyen et al., 2003).

Многие исследователи предполагают, что основой механизма биологического действия низкочастотных магнитных полей лежит процесс рекомбинации свободных радикалов, присутствующих в биологической ткани (Бинги, 2002). Эффекты МП СНЧ довольно необычны. Они медленно развиваются, не приводят к деструкции и гибели клеток и организмов. Их латентные периоды длительны, от нескольких минут до нескольких часов. Часто эффекты МП СНЧ неоднозначны, плохо воспроизводимы и разнонаправлены. Для них не выявлено минимальной пороговой амплитуды воздействия, а также тканевой и видовой специфичности (Плеханов, 1990; Темурьянц, 1992; Узденский, 2000).

Низкочастотные магнитные поля практически без помех проникает в живой организм. Все заряженные частицы живого вещества, ионы, участвующие в биофизических и биохимических процессах, являются посредниками в передаче сигналов магнитного поля на следующий биохимический уровень (Бинги, 2002).

Нетермическое действие радиоволн в настоящее время объясняют следующими механизмами (по Бинги, 2002):

34

1.Наличием в биосредах «микропроцессоров», связанных с выстраиванием суспензированных частиц ряда веществ, а также лейкоцитов и эритроцитов вдоль электрических силовых линий ЭМП (так называемые «жемчужные цепочки»).

2.Поляризацией боковых цепей макромолекул и ориентацией их параллельно электрическим силовым линиям, что может приводить к разрыву внутри- и межмолекулярных связей, к коагуляции молекул и изменению их свойств.

3.Действием сил Лоренца – положительные и отрицательные ионы в тканях и электролитах перемещаются перпендикулярно магнитным (электрическим) силовым линиям, в результате чего нарушаются химический состав и электрическое равновесие тканей.

4.Резонансным поглощением ЭМП белковыми молекулами. Молекулы возбуждаются, сталкиваются с невозбужденными молекулами, передают им свою энергию, которая расходуется на химическое процессы каталитического характера. Явление резонансного поглощения имеет большое значение для понимания возникающих в организме под действием радиоизлучений процессов, в частности – мутагенного действия микроволн.

Биологическое действие электромагнитного поля также связывают с измененными состояниями воды (Fesenko, Gluvstein, 1995). Согласно Бинги, вода способна сохранять в себе информацию о предыстории физических воздействий. В н. у. с течением времени вода способна приходить в квазиравновесное состояние, которое далее может изменяться. Текущее же состояние воды обусловлено флуктуациями или регулярным воздействием на воду физических агентов (Бинги, 2002).

Изменения свойств воды после длительного воздействия магнитного поля приводят к изменению взаимодействия растворов с клеточными мембранами, что приводит к изменению свойств мембраны и функций мембранных белков (Лобы-

шев и др., 2003, Бинги и др., 2006).

35

ЭМП также оказывает влияние на ионы H+, это меняет их действие на кластеры воды (Сусак и др., 2005). ЭМП индуцирует появление в воде небольших количеств озона, супероксида и атомарного водорода (Colic, Morse, 1998).

Ионы металлов являются коферментами некоторых ферментов, при этом они могут стать мишенью магнитного поля. В зависимости от типа, интенсивности и времени воздействия магнитные поля могут оказывать разнообразное влияние на активность ферментов. Часто наблюдается не линейная, а сложная, многооптимумная зависимость изменения биологических свойств от напряженности МП

(Blanc, Soo, 1998; Денисова и др., 2008).

Многими исследвателями установлено, что слабые ПеМП не оказывают влияния на активность почвенных ферментов (Мартынюк, 2003; Денисова и др., 2006, 2008, 2011а; Денисова, Казеев, 2007).

Большое количество исследований посвящено действию ЭМП на чистые бактериальные культуры и бактерии, выделенные из различных сред (Бинги, 2002; Alipov et al., 1994; Belyaev et al., 1995; Alexander, 1996; Binhi et al., 2001; Novak et al., 2007). С другой стороны отмечается негативное влияние ЭМП на численность почвенной микрофлоры во многих типах почв (Денисова и др., 2011, 2007, 2008; Денисова, 2010).

В связи с широким развитием микроволновой радиотехники всё более актуальной становится проблема исследования влияния ЭМП сверхвысокой частоты (СВЧ-полей) на организмы, а также белки, нуклеиновые кислоты, ферменты и т.д. (Игнатов и др., 1978; Исмаилов, 1987).

Микроволны – это поддиапазон радиоизлучения, примыкающий к инфракрасному. Его также называют сверхвысокочастотным (СВЧ-излучением), так как у него самая большая частота в радиодиапазоне. СВЧ-излучение обладает высокой проникающей способностью. Механизм их биологического действия до конца не ясен. Они способны поражать клеточные мембраны (Воздействие…, 1997).

Предполагают, что микроволны могут иметь два механизма действия (Себрант, Троянский, 1969):

36

1.в результате резонансного поглощения энергии происходит изменение структуры молекул в клетках (так называемый квантово-биологический эффект);

2.возможное детектирование радиоволн клетками и органическими структурами клеток (например, синапсами нервных волокон) изменяет процессы возбуждения, проводимости и обмена этих клеточных структур.

Основная часть энергии СВЧ, поглощенной организмом, превращается в тепло, так как в тканях возникают колебания ионов и дипольных молекул (Себрант, Троянский, 1969; Кудряшов и др., 2008). Помимо этого существует ещё специфическое нетепловое действие микроволн.

Нетепловое действие не влияет на активность ферментов, но изменяет биохимические свойства и морфологические признаки микроорганизмов, а так же обладает мутагенным эффектом (Spencer et al., 1985, Денисова и др., 2011б, Денисова, Колесников, 2009).

Имеется достаточное количество данных, отражающих влияние ЭМП на почву. Исследовано влияние непосредственно электромагнитных полей (Ванек, Кремер, 1976; Ванек и др., 1981; Абросимова и др., 1980, 1987; Вадюнина, Поздняков, 1977; Рохинсон, Чайковская, 1996; Олешко и др., 1980; Шляхтин и др., 2003; Isildar et al., 2003), изменения структуры сообщества почвенных микроорганизмов под влиянием ЭМП (Захаров и др., 2000), влияние линий электропередач (Григорьев и др., 2003; Сарокваша, 2006) влияние СВЧ-излучения на физикохимические свойства почв (Козьмин и др.,1998; Лихачева и др., 2006; Григорьев и др., 2003; Комарова, 2008; Vela-Muzquiz, 1984; Wainwright et al., 1980; Speir et al., 1986) и др.

В 70-80-х гг. XX века отечественные ученые провели большое количество разнообразных исследований, касающихся изучению влияния электрического тока и магнитных полей на биологические свойства почв (Вадюнина и др., 1972-1979; Олешко, 1980 и др.). Ими было показано, что воздействие магнитным полем изменяет микроструктуру почвенных частиц (Ванек, Кремер, 1976). Одноразовое облучением магнитным полем почвенной суспензии способно уменьшить степень

37

связи илистых частиц. Такое изменение микроструктуры почвы отражается и на почвенной макроструктуре.

Под влиянием магнитного поля изменяется характер почвенных пор. Участки вокруг пор более чувствительны к воздействию магнитного поля (Ярилова и др., 1983; Арахмедов, Назармамедов, 1984; Абросимова и др., 1987; Аристархов и др., 2003).

Скорость роста пшеницы, выращенной на почве, обработанной в магнитном поле, увеличивалась, при этом происходило изменение физиологических показателей растений (Олешко и др., 1981, 1980; Бабанин и др., 1985).

В структуре сообществ почвенной фауны (микроартоподы-сапрофаги и гамазовые клещи) и их распределении по почвенным горизонтам не было выявлено существенных изменений (Захаров и др., 2000). Отмечено негативное действие ЭМП на величину нитрогеназной активности, длину проростков растений (Тугарова, Смиян, 2000).

Электрическое поле снижало общую численность бактерий в почве, однако значительнее снижает обилие грибов. Однако общая микробная биомасса почв возрастает, так же, как и активная микробная биомасса, усиливается дыхание почв

(Hassanein, Ali, 2003).

Облучение почвы СВЧ-излучением ведет к снижению уровня азотфиксации. Оно может происходить за счет снижения активности нитрогеназы, либо за счет уменьшения числа азотфиксирующих микроорганизмов (Григорьев и др., 2003).

1.4. Экологические последствия сочетанного загрязнения

1.4.1.Сочетанное действие ионов различных тяжёлых металлов

Влитературе имеются данные о влиянии отдельных металлов на почву. Однако в почве чаще всего содержится целый комплекс разнообразных тяжёлых металлов.

И.О. Вызовская и соавторами (2007) проводила исследования по сочетанному влиянию Ni с другими тяжёлыми металлами, такими, как Zn, Cu, Pb, Cd, Cr. Почву загрязняли 50 и 200 мг Ni2+/кг. Дополнительно в почву в различных сочета-

38

ниях вносили другие тяжелые металлы в количестве 50 мг/кг почвы. Наиболее сильный синергический эффект наблюдался в паре NiCd, чуть более слабым он был в случае совместного влияния Ni с Pb и Cr. Так же было показано угнетающее действие сочетания различных металлов на ростки пшеницы (Wyszkowska, 2007).

Также проводились исследования сочетанного действия тяжёлых металлов на крыс. Животных разделили на 4 экспериментальные группы: 1-й группе с помощью зонда вводили в желудок раствор уксуснокислого свинца (0,6 мкг/кг) в течение одного месяца; 2-й группе – раствор хлорида кадмия (4 мкг/кг); 3-й - одновременно оба раствора и 4-й вводили физический раствор так же в течение 1 месяца.

После первых суток эксперимента в 1-й группе нарушалась эвакуаторная функция желудка, содержание катехоламина (КА) снизилось на 28%, активность ацетилхолинэстеразы (АХЭ) – на 19%, лактатдегидрогеназы (ЛГ) на 30%, а сукцинатдегидрогеназы (СДГ) на 14%. Через 1 месяц активность ферментов, за исключением КА, вернулась к контрольным значениям.

Влияние кадмия также снижало активность ферментов на первые сутки эксперимента – КА на 31%, АХЭ на 18%, ЛГ на 24% и СДГ на 26%. После месяца воздействия активность ферментов также вернулась к контрольным значениям, а КА осталась сниженной.

При сочетанном воздействии металлов активность КА снизилась на 40%, АХЭ - на 16%, ЛГ - на 12% и СДГ на 18%, через месяц эксперимента активность КА и АХЭ оставалась сниженной, а ЛГ и СДГ вернулась в норму (Лапша и др., 2008).

В других исследованиях сочетанное воздействие двух тяжелых металлов изучалось на нильской тилапии Oreochromis niloticus. Рыб разделили на 4 экспериментальные группы. Рыбу в группе I содержали в водопроводной воде, другие группы в течение 7 и 14 дней подвергали воздействию тяжелых металлов в сле-

дующих концентрациях: 5,0 мг/л Zn (ZnCl2), 1,0 мг/л Cd (CdCl2), 5,0 мг/л Zn + 1,0

мг/л Cd. Исследователи определяли концентрации аланин-аминотрансферазы (АЛТ) и аспартат-аминотрансферазы (АСТ) в плазме крови рыб. Во всех случаях

39

значения концентраций ферментов были выше контроля, и находились примерно на одном уровне. Уровень плазменного альбумина повышался, при этом в 4-й группе рыб он был незначительно выше. Однако уровень холестерина оказался выше у группы рыб, на которую производилось воздействие только Cd. В случае сочетанного воздействия уровень каждого из металлов в крови был ниже, чем при воздействии цинка или кадмия по отдельности (Fırat, Kargın 2010).

Так же изучалось влияние цинка и меди на личинки рака-отшельника Clibanarius longitarsus. На личинки воздействовали различными концентрациями ионов меди и цинка, которые составляли 50%, 25% и 10% от ЛД50, а также воздействовали сочетанием этих металлов. Во всех случаях выживаемость личинок снижалась, а время, необходимое для завершения каждого этапа развития личинки, увеличилось. При сочетанном действии выживаемость была ниже в сравнении действия металлов по отдельности, а длительность каждого этапа развития личин-

ки увеличивалась (Somasundaran, Ajmal, 2010).

Исследования по сочетанному действию кадмия, меди и свинца проводили, используя в качестве объекта икру балтийской салаки. Икру инкубировали в воде с концентрацией солей металлов Cd 0,56–5.0 мг/л, Cu 0.0167–0.15 мг/л и Pb 0.56– 5.0 мг/л. Наибольшее снижение выживаемости вызывали ионы кадмия и меди. Исследователи обнаружили как антагонистическую, так и синергическую активность в отношении сочетанного воздействия кадмия и меди (в зависимости от стадии развития яйца и личинки). Также было показано, что в присутствии меди поглощение свинца усиливается (Westernhagen, 1979).

Для защиты от тяжёлых металлов могут применяться различные вещества. Например, было проведено исследование, в котором Са рассматривали как протектор при действии на организм Cd, Cu и Zn. В качестве объекта исследования использовали бурую водоросль Cystoseira barbata forma aurentia. Исследователи показали, что все три тяжелых металла снижают скорость роста и массу водоросли, синтез хлорофилла А, С, каротиноидов. Cd и Zn проявляли как антагонистическое, так и синергическое действие, в зависимости от дозы, на синтез хлорофилла и каротиноидов. Zn выступал антагонистом Cd и Cu при воздействии на весоро-

40

стовые характеристики в сочетании трёх металлов одновременно. Са являлся протектором при воздействии сочетаний Cd-Zn-Ca и Cu-Ca на весоростовые характеристики водоросли, в сочетании Cd-Cu-Ca и Cu-Zn-Ca на синтез хлорофилла А, хлорофилла С в сочетании Cd-Ca, каротиноидов в случае Cd-Cu-Ca и Cu-Zn-Ca, а также снижал поглощение Cu и Zn (Pellegrini и др., 1993).

1.4.2. Сочетанное действие тяжёлых металлов и других факторов окружающей среды

Помимо тяжёлых металлов в окружающей среде находится значительное количество других загрязняющих химических веществ. И их воздействие на почву, животных, растения и человека происходит одновременно с негативным воздействием тяжелых металлов. Именно поэтому сочетанному воздействию тяжелых металлов с другими химическими загрязнителями в настоящее время уделяют всё больше влияния.

В работах по изучению влияния хрома и фенола на организм в качестве тесторганизма использовали креветок. Автора использовали широкий спектр концентраций каждого из загрязнителей, а также их сочетаний. Все варианты опыта в той или иной степени вызывали снижение массы, за исключением низких концентраций фенола. При малых дозах фенола и хрома показан значительный синергический эффект, угнетающий рост креветок и увеличивающий их смертность (Qixing, 1999).

Исследования подобного рода проводились и на почвах. Почвы загрязняли Cd, Cu, Pb, Zn и As, а также фенантреном, 1,2,4 – трихлорбензоном и палкобутразолом по отдельности и в сочетаниях. Загрязнители вносили в верхний горизонт почвы, затем почву распахивали. Тяжелые металлы оказывали угнетающее влияние на активность дегидрогеназы, почвенное дыхание и биомассу углерода. Органические загрязнители оказывали незначительное влияние на показатели почвы, а при сочетанном воздействии их и тяжелых металлов результат зависел от концентрации веществ, а также типа растительности (Gong, 1996).