Критический анализ проблемы магистерской диссертации на основе литературных данных
Проблема этого исследования (генотоксическое действие комбинированного электромагнитного и γ-излучения на клетки лука) стоит весьма остро, так как в настоящее время развиваются технологии, серьезно воздействующие на биосферу, следовательно, необходимо исследование тех организмов, которые могут служить биоиндикаторами радиационного и электромагнитного воздействия.
Проблема, поднятая в магистерской диссертации, разбирается в работах российских и зарубежных ученых. Исследование российских ученых Лебединского и Лаврского [4] посвящено воздействию излучения частот, соответствующих частотам сотовой связи стандарта GSM и близкого к ним диапазона частот. Вопрос опасности для здоровья человека микроволнового излучения (300 МГц – 300 ГГц) является одним из актуальных вопросов на сегодняшний день. В качестве источника излучения использована радиоизлучающая установка с постоянным сигналом, настроенная на обеспечение уровня сигнала на уровне мощности сотового телефона. В качестве тестового объекта использован лук Allium cepa для оценки митотического индекса по методике Allium-test. Эксперимент поставлен таким образом, чтобы обеспечить облучение именно анализируемых тканей корня, максимально снизив воздействие на остальные ткани тестового объекта. Выращивание тестового объекта производилось при термостатировании опытной установки, обеспечивающем постоянную температуру во всех повторностях. Анализ полученных данных позволяет говорить о существовании нелинейной зависимости между частотой электромагнитного излучения и его митотоксическом влиянии на тестовые объекты. Значительным митотоксическим эффектом обладает излучение в диапазоне 800-930 МГц, что соответствует стандарту сотовой связи GSM 850/900.
Болсуновский и Дементьев [1] исследовали влияние γ-излучения на степень повреждений ядерной ДНК проростков лука (Allium-test) методом ДНК-комет. Впервые обнаружили разрывы ДНК в клетках проростков лука при малых дозах облучения (≤0,1 Гр). Для дозовой зависимости параметров повреждений ДНК отмечен нелинейный характер: линейный участок в области малых доз (до 0,1 Гр) и дозонезависимое плато в диапазоне доз от 1 до 5 Гр. Полученные данные позволяют использовать метод ДНК-комет для оценки биологического действия малых доз γ-излучения на проростки Allium cepa.
В работе польского ученого Гражины Быстшеевской-Пиотровской и Павла Урбана [6] было охарактеризовано распределение 137Cs и 40K между слоями органа хранения съедобного лука. Во внутренних слоях колбы была обнаружена значительная корреляция (r = 0,96) между концентрациями цезия и калия. С другой стороны, соотношение 137Cs/40K в сухих старческих листьях было значительно увеличено. Поглощение цезия листьями и корнями (из 0,3 мм CsCl в буфере Tris –HCl при pH=7) исследовали в контролируемых условиях. В течение 48 часов происходил интенсивный акропетальный и базипетальный транспорт. В другом тесте саженцы лука инкубировали в 0,3 мм растворе CsCl в течение 24 ч. После переноса их в незагрязненную почву выращивали три группы лука в течение 4, 8 и 12 дней. Наблюдалось снижение содержания 137Cs в растениях через 8 и 12 дней, особенно в корнях, в то время как содержание 137Cs в листьях не изменилось. Лук в значительной степени накапливает цезий. Было показано, что Allium cepa поглощает цезий из осадков и является резервуаром 137Cs, из которого он выделяется в незагрязненную почву.
В исследовании Шикхи Чанделя и Шалиндера Каура [7] изучалась роль излучения электромагнитного поля (EMF-r) сотового телефона в провоцировании окислительного повреждения корней лука (Allium cepa) на частоте 2100 МГц. Корни лука подвергали воздействию непрерывной волны однородного EMF-r в течение 1, 2 и 4 ч в течение одного дня и измеряли образование активных форм кислорода (АФК) в пересчете на содержание малонового диальдегида (MDA), перекиси водорода (H2O2) и супероксидного аниона (O2•−) и изменения активности антиоксидантных ферментов - супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы (CAT). Результаты показали, что воздействие EMF-r увеличивает содержание MDA, H2O2 и O2•−. Кроме того, в корнях лука наблюдалось повышение активности антиоксидантных ферментов − SOD и CAT. В исследовании был сделан вывод о том, что EMF-r сотового телефона с частотой 2100 МГц вызывает окислительное повреждение корней лука, изменяя окислительный метаболизм.
В работе Татьяны Парамоновой и Натальи Кузменковой [12] для выяснения особенностей биоаккумуляции и фитотоксических эффектов долгоживущих искусственных радионуклидов был проведен гидропонный эксперимент с выращиванием лука (Allium cepa L.) в слабоминерализованных растворах, содержащих 137Cs (250 кБк Л-1) или 243Am (9 кБк Л-1). После 27-дневного периода роста ≈70% 137Cs и ≈14% 243Am были перенесены из растворов в биомассу лука со значениями коэффициента переноса ≈ 400 и ≈ 80 соответственно. Поскольку биоаккумуляция обоих радионуклидов в основном происходила в корнях лука (77% 137Cs и 93% 243Am от общего количества в биомассе), съедобные органы – луковицы и листья – были в некоторой степени защищены от радиоактивного загрязнения. В то же время включение радионуклидов в ткани корней вызвало определенные изменения в их биометрических (геометрических и массовых) характеристиках, которые были более выражены при обработке лука 243Am. Воздействие 243Am значительно уменьшило количество, длину и общую площадь поверхности корней лука в 1,3–2,6 раза. Под воздействием 137Cs содержание сухого вещества в корнях снизилось в 1,3 раза с соответствующим увеличением степени гидратации корневых тканей. В целом, полученные данные выявили особенности поведения 137Cs и 243Am в системе “гидропонный раствор – растение” и предположили, что биометрические характеристики корней лука могут быть подходящими показателями фито(радио) токсичности.
В исследовании Трофимовой и Кладко [5] корни прорастающего лука (Allium cepa) подвергались воздействию γ–излучения 0,02-13 Гр. Дозовые зависимости частоты хромосомных аберраций и микроядер были нелинейными. Увеличение частоты хромосомных аберраций в клетках прорастающих корней семян впервые было обнаружено при воздействии низких доз γ-излучения (0,05 и 0,1 Гр). Индукция микроядер при низких дозах облучения существенно не отличалась от контрольной. Наше исследование предполагает, что прорастающие корни семян лука являются чувствительным материалом для биоанализа для оценки генотоксических эффектов низких доз γ-излучения.
Целью исследования Песни и Романовского [13] было сравнить цитотоксические и генотоксические эффекты альфа-частиц плутония-239 и излучения мобильного телефона с модуляцией GSM 900 (модель Sony Ericsson K550i) в тесте Allium cepa. Три группы лампочек подвергались воздействию излучения мобильного телефона в течение 0 (фиктивных), 3 и 9 часов. Положительную контрольную группу обрабатывали альфа-излучением плутония-239 в течение 20 минут. Были проанализированы митотические аномалии, хромосомные аберрации, микроядра и митотический индекс. Воздействие альфа-излучения плутония-239 и воздействие модулированного излучения мобильного телефона в течение 3 и 9 часов значительно увеличивали митотический индекс. Излучение мобильного телефона GSM 900, а также альфа-излучение плутония-239 вызывали как кластогенные, так и анеугенные эффекты. Однако анеугенная активность излучения мобильного телефона была более выраженной. После 9 часов воздействия излучения мобильного телефона были обнаружены полиплоидные клетки, метафазы трех групп, амитозы и некоторые неуточненные аномалии, которые не были зарегистрированы в других экспериментальных группах. Важно отметить, что излучение мобильного телефона GSM 900 увеличивало митотический индекс, частоту митотических и хромосомных аномалий, а также частоту микроядер в зависимости от времени. Благодаря своей чувствительности, A. тест cepa может быть рекомендован в качестве полезного цитогенетического анализа для оценки цитотоксических и генотоксических эффектов радиочастотных электромагнитных полей.
Индийские ученые Мохд Исса и Шалиндер Каур [8] изучили цито- и генотоксический потенциал EMF-r мобильного телефона на частоте 2350 МГц с использованием лука (Allium cepa L.). Свежие корни лука подвергались непрерывному воздействию EMF-r на частоте 2350 МГц в течение разных периодов времени (1 ч, 2 ч и 4 ч). Оценка цитотоксичности проводилась с точки зрения митотического индекса (MI), фазового индекса и хромосомных аберраций. Генотоксичность была исследована с использованием анализа комет с точки зрения изменений в % HDNA (головная ДНК) и % TDNA (хвостовая ДНК), TM (момент хвоста) и OTM (момент оливкового хвоста). Данные были проанализированы с использованием одностороннего ANOVA, а средние значения были разделены с помощью теста Тьюки. Результаты показали значительное увеличение ИМ и хромосомных аберраций через 4 ч и ≥ 2 ч воздействия, соответственно, по сравнению с контролем. Никаких специфических изменений фазового индекса в ответ на воздействие ЭМП-r не наблюдалось. Значения % HDNA и % TDNA показали значительные изменения по сравнению с контрольными значениями через 2 ч и 4 ч воздействия соответственно. Однако TM и OTM существенно не изменились. Результаты показывают, что непрерывное воздействие радиочастотной ЭМП-r (2350 МГц) в течение длительного времени потенциально может вызывать цито- и генотоксические эффекты в меристемах корня лука.
Целью исследования новозеландских ученых Тингтинга Лиу и Дэвида Джона Беррита [11] было понять влияние импульсных электрических полей (PEF) при различной напряженности электрического поля (0; 0,3; 0,7 и 1,2 кВ/см) и удельной энергии (7, 21 и 52 кДж/кг) на многослойный растительный материал, при этом в качестве модельной системы использовались ткани луковицы лука. Настоящее исследование показало, что утечка углеводов является подходящим показателем для оценки повреждения, вызванного PEF, и что плазмолиз клеток эпидермиса является хорошим показателем целостности плазматической мембраны после PEF. Кроме того, напряженность электрического поля оказывала большее влияние на целостность ячейки, чем удельная приложенная энергия. В то время как другие исследования показали, что разные типы клеток обладают разной чувствительностью к PEF, используя плазмолиз в качестве показателя повреждения клеток, это исследование ясно показало, что одни и те же условия обработки PEF оказали большее влияние на клетки эпидермиса внешних чешуек по сравнению с внутренними чешуйками. Следовательно, в то время как различные типы растительных клеток различаются по своей чувствительности к PEF, пространственное расположение одного и того же типа клеток в сложном растительном материале, состоящем из множества схожих органов, т.е. луковицы лука, также может влиять на то, как клетки реагируют на обработку PEF. Несмотря на то, что нарушение, вызванное PEF, на клеточном уровне было обнаружено с помощью утечки углеводов, теста на плазмолиз эпидермальных клеток и электромикроскопии криосканнирования (крио-SEM), с помощью крио-SEM или флуоресцентной микроскопии не наблюдалось грубых структурных изменений на уровне органов. В этом исследовании также впервые сообщается, что обработка PEF может усилить утечку фруктана из луковиц лука, а это означает, что обработка PEF может влиять на содержание фруктана в некоторых продуктах растительного происхождения.
В исследовании колумбийских ученых Салазара Меркадо и Квинтеро Калено [14] цитогенотоксический эффект пропанила был оценен с использованием апикальных корневых клеток Allium cepa и Lens culinaris. В котором семена L. culinaris и луковицы A. cepa подвергали 6 обработкам пропанилом (2, 4, 6, 8, 10 и 12 мг LA1) и в дистиллированную воду в качестве контрольной обработки. Впоследствии рост корней измеряли каждые 24 ч в течение 3 дней. Затем определяли митотический индекс и клеточные аномалии. Таким образом, при всех обработках наблюдалось снижение развития корней. Аналогичным образом, у L. culinaris наблюдалось большее ингибирование митоза по сравнению с A. cepa. Кроме того, хромосомные аномалии, такие как отсутствие ядра, липкие хромосомы в метафазе и двуядерные клетки, присутствовали в большинстве методов лечения. Таким образом, наличие микроядер и результаты L. culinaris указывают на высокую цитогенотоксичность пропанила и целесообразность использования этого вида в качестве биоиндикатора.
В исследовании индийских ученых Шикхи Чанделя и Мохда Иссы [9] оценивался потенциал радиочастотного излучения 2100 МГц для действия в качестве цитотоксического и генотоксического агента. Свежие корни лука (Allium cepa L.) подвергали воздействию излучения электромагнитного поля (EMF-r) в течение различной продолжительности (1 ч и 4 ч) и оценивали на митотический индекс (MI), фазовый индекс, хромосомные аберрации и повреждение ДНК. Повреждение ДНК было исследовано с помощью анализа comet путем оценки различных параметров, таких как % ДНК головки (HDNA), % ДНК хвоста (TDNA), момент хвоста (TM) и момент оливкового хвоста (OTM). Эффекты воздействия EMF-r также сравнивались с эффектами воздействия метилметансульфоната (MMS; 90 мкм), который действовал в качестве положительного контроля. Также были оценены эффекты постэкспозиции EMF-r после предоставления испытуемым растениям периода акклиматизации в 24 часа. По сравнению с контролем, через 4 часа воздействия было зарегистрировано значительное увеличение ИМ и процента аберраций. Однако никакой конкретной тенденции изменения фазового индекса в ответ на воздействие обнаружено не было. Воздействие EMF-r вызывало повреждение ДНК со значительным снижением HDNA, сопровождающимся увеличением TDNA при воздействии в течение 4 часов. Однако TM и OTM существенно не изменились при воздействии по сравнению с контролем. Анализ постэкспозиционных эффектов EMF-r не показал каких-либо существенных изменений/восстановления. Таким образом, наши данные свидетельствуют о потенциальной цитотоксической и генотоксической природе EMF-r 2100 МГц. Наше исследование имеет большое значение с учетом быстро возникающих EMF-r в окружающей среде и их потенциала для провоцирования аберраций на хромосомном уровне, что создает генетическую опасность.
В исследовании эфиопского ученого Белая Анелая Кассы [10] оценивается опасное воздействие сброса неочищенных муниципальных сточных вод из города Бахир-Дар в верховья реки Голубой Нил. Это было сделано путем сбора проб сточных вод с верхнего, среднего и нижнего участков ручья и характеристики их физико-химических свойств. Во всех случаях в качестве контроля была взята водопроводная вода, и качество сточных вод значительно различалось на исследуемых участках. Самые высокие значения EC, TDS, COD и т.д. были найдены на среднем участке. Кроме того, сточные воды показали значительные различия с точки зрения цитотоксичности (по числу корней, длине корней, митотическому индексу) и генотоксичности (хромосомные аберрации) в тестах Allium cepa после трех дней роста при (0, 25, 50, 75 и 100 мл) значениях разведения сточных вод. Цитотоксические эффекты сточных вод значительно различались при различных значениях очистки и местах сбора потока. Митотический индекс был снижен до 1,80 ± 0,03 с 12,59 ± 0,28, 1,26 ± 0,02 с 12,78 ± 0,38 и 2,05 ± 0,04 с 12,81 ± 0,19 на 100 мл сточных вод по сравнению с контролем на верхнем, среднем и нижнем участках соответственно. Значения EC50 для ингибирования роста корней следовали порядку средний < верхний < нижний, указывая на большую токсичность среднего участка. Более того, сточные воды оказывали значительно большее генотоксическое воздействие на клетки верхушек корней по сравнению с контролем, а также различались в разных местах отбора проб. Наиболее зарегистрированными аномалиями были анафазные мостики, фрагменты хромосом, с-митоз, двуядерные и микроядерные клетки. Таким образом, сбросы неочищенных сточных вод представляют потенциальную угрозу для водной экосистемы и здоровья населения, поскольку река используется для различных целей обществами, расположенными ниже по течению.
Исследование пакистанских ученых Садафа Табасума Куреши и Саджада Ахмеда Мемона [15] проводилось с целью прогнозирования возможных повреждений ДНК (генотоксичности) и канцерогенности, вызванных радиочастотным излучением (RF) в живой ткани. Сухие семена нута обрабатывали с помощью сотового телефона GSM (900 МГц) и ноутбука (3,31 ГГц) в качестве источника радиочастотного излучения в течение 24 и 48 ч. Необработанные семена использовали в качестве отрицательного контроля (не облучались) и в качестве положительного контроля (250 ГЦ). В качестве маркера генотоксичности использовали анализ хромосомных аберраций растений. Вся обработка RF подавляет процент прорастания семян. 48-часовая обработка ноутбука оказывает наиболее отрицательный эффект по сравнению с необработанным контролем. Наблюдалось снижение митотического индекса (M.I) и увеличение индекса аномалий (A.I) с увеличением продолжительности воздействия и частоты в (Гц). Повреждения клеточной мембраны также наблюдались только при 48-часовом воздействии сотового телефона и ноутбука (RF). Максимальные повреждения ядерной мембраны и призрачные клетки снова были зарегистрированы при 48-часовом воздействии сотового телефона и ноутбука. Радиочастотные излучения (900 МГц и 3,31 ГГц) являются только генотоксичными, поскольку они индуцируют микроядра, двуядерные, многоядерные и рассеянные ядра, но могут быть канцерогенными, поскольку 48-часовая инкубация радиочастотной индуцированной фрагментации и призрачных клеток. Поэтому мобильные телефоны и ноутбуки не следует использовать без необходимости, чтобы избежать возможных генотоксических и канцерогенных эффектов.
В работе Трофимовой, Дементьева и Болсуновского [2] изучена реакция семян и проростков лука (Allium cepa L.) на воздействие γ-излучения в дозах 0.1–10 Гр по таким показателям, как длина корня и ростка, сырая и сухая биомасса. В экспериментах γ-излучение во всех использованных дозах, в том числе в малых дозах, приводило к угнетению параметров роста растений через 6 суток после облучения. Наиболее чувствительным ростовым параметром к γ-излучению является длина корней, которая уменьшалась почти в 3 раза по сравнению с контролем с увеличением поглощенной дозы. Повреждения, полученные проростками и семенами при облучении в дозах 0.1–2.5 Гр, не являлись критическими, и восстановление нормального роста происходило спустя 10 суток после прекращения облучения. При поглощенных дозах 2–2,5 Гр выявлено стимулирующее действие γ-излучения на рост растений.
В статье Зуевой и Дементьева [3] представлены результаты использования лукового биотеста (Allium-test) для определения токсичности донных отложений р. Енисей, а также влияния внешнего γ-облучения в лабораторных экспериментах. В токсикологических экспериментах с донными отложениями и при внешнем γ-облучении выявлен эффект стимуляции роста корней лука, т.е. отсутствие токсичности. Эффект радиационного стимулирования роста корней лука ограничивает возможность использования лукового биотеста для тестирования проб экосистемы р. Енисей в зоне влияния радиоактивных сбросов Горно-химического комбината.
Литература
1. Болсуновский А. Я., Дементьев Д. В., Фролова Т. С., Трофимова Е. А., Иняткина Е. М., Васильев С. А., Синицына О. И. Влияние γ-излучения на уровень повреждений ДНК в клетках проростков Allium cepa L. // Доклады Академии наук. – 2019. - Т. 489. - № 2. - С. 199–204.
2. Болсуновский А. Я., Трофимова Е. А., Зуева А. В., Дементьев Д. В. Влияние γ-излучения на развитие растений из облученных семян и проростков Allium cepa L . // Радиационная биология. Радиоэкология. - 2019 г. - т. 59. - № 3. - С. 293–299.
3. Болсуновский А. Я., Трофимова Е. А., Зуева А. В., Дементьев Д. В. Первые данные по использованию allium-теста для оценки химической и радиационной токсичности донных отложений реки // Доклады Академии наук. - 2016 г. - Т. 469. - № 4. - С. 513–517.
4. Лебединский И.А., Лаврский А.Ю., Четанов Н.А., Кузаев А.Ф., Артамонова О.А. Влияние частоты электромагнитного излучения дециметрового диапазона на процесс митоза в растительных тканях // Фундаментальные исследования. 2013 г. - №8. - С. 94-97.
5. Bolsunovsky A., Dementyev D., Trofimova E., Iniatkin E., Kladko Yu., Petrichenkov M. Chromosomal aberrations and micronuclei induced in onion (Allium cepa) by gamma-radiation // Journal of Environmental Radioactivity. - 2019 г. - №207. - С. 1–6.
6. Bystrzejewska-Piotrowska G., Urban P. L. Accumulation and translocation of cesium-137 in onion plants (Allium cepa) // Urban Environmental and Experimental Botany. - 2004 г. - №51. - С. 3–7.
7. Chandel Sh., Kaur Sh., Issa M., Singh H. P., Batish D. R., Kohli R. K. Appraisal of immediate and late effects of mobile phone radiations at 2100 MHz on mitotic activity and DNA integrity in root meristems of Allium cepa // Protoplasma. - 2019 г. - №256. - С. 1399–1407.
8. Chandel Sh., Kaur Sh., Issa M., Singh H. P., Batish D. R., Kohli R. K. Exposure to mobile phone radiations at 2350 MHz incites cyto- and genotoxic effects in root meristems of Allium cepa // Journal of Environmental Health Science and Engineering. - 2019 г. - №17. - С. 97–104.
9. Chandel Sh., Kaur Sh., Singh H. P., Batish D. R., Kohli R. K. Exposure to 2100 MHz electromagnetic field radiations induces reactive oxygen species generation in Allium cepa roots // Journal of Microscopy and Ultrastructure. -№5. - 2017 г. - С. 225–229.
10. Kassa B. A. Cytotoxicity and Genotoxicity evaluation of municipal wastewater discharged into the head of Blue Nile River using the Allium Cepa test // Scientific African. - №13. - 2021 г. - С. 1-11.
11. Liu T., Burritt D. J., Oey I. Understanding the effect of Pulsed Electric Fields on multilayered solid plant foods: Bunching onions (Allium fi stulosum) as a model system // Food Research International. - №120. - 2019 г. - С. 560–567.
12. Paramonova T., Kuzmenkova N., Godyaeva M., Slominskaya E. Biometric traits of onion (Allium cepa L.) exposed to 137Cs and 243Am under hydroponic cultivation // Ecotoxicology and Environmental Safety. - №207. - 2021 г. - С. 1-11.
13. Pesnya D. S., Romanovsky A. V. Comparison of cytotoxic and genotoxic effects of plutonium-239 alpha particles and mobile phone GSM 900 radiation in the Allium cepa test // Mutation Research. - №750. - 2013 г. С. 27 –33.
14. Salazar Mercado A., D. Quintero Caleno, J. Piero Rojas Suarez Cytogenotoxic effect of propanil using the Lens culinaris Med and Allium cepa L test // Chemosphere. - №249. - 2020 г. - С. 1-8.
15. Tabasum Qureshi S., S. Ahmed Memon, A. Rasool Abassi, M. Ali Sial, F. Ali Bughio Radiofrequency radiations induced genotoxic and carcinogenic effects on chickpea (Cicer arietinum L.) root tip cells // Saudi Journal of Biological Sciences. - 2017 г. - №24. - С. 883–89.
Приложение 2