Indication of radioactive contamination of forest ecosystems in the zone of the east Ural radioactive trace using methods of quantitative wood anatomy

Толық мәтін

В конце сентября 1957 г. на Южном Урале произошла Кыштымская авария, которая по настоящее время остается одной из крупнейших радиационных аварий в истории человечества. В результате взрыва емкости с радиоактивными отходами, хранящимися на ПО «Маяк», был образован Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС). Присутствие в выброшенной смеси радионуклидов с коротким периодом полураспада обусловило высокую интенсивность облучения живых организмов ВУРСа в первые месяцы и годы после аварии [1–3]. После 1962 г. и по настоящее время радиоактивное загрязнение экосистем ВУРСа связано главным образом с изотопом ⁹⁰Sr, содержание которого в начальной смеси радионуклидов составляло около 5%, в меньшем количестве в экосистемах присутствуют изотопы ¹³⁷Cs и ^239,240Pu [4, 5].

Наиболее заметным последствием облучения биоты ВУРСа стала полная гибель древостоев сос- ны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) на площади около 50 км² с плотностью начального загрязнения ⁹⁰Sr более 6.3–7.4 МБк/м². Поражение сосны с усыханием 95% кроны и остановкой апикального роста было отмечено на территории с начальной плотностью загрязнения ⁹⁰Sr 3.7–7.4 МБк/м² и площадью около 80 км². На территории с плотностью начального загрязнения ⁹⁰Sr 1.5–1.8 МБк/м² (200–250 км²) обнаружено неполное повреждение крон сосны – усыхание и отпад хвои в нижней части кроны, снижение прироста побегов и прироста по диаметру [2, 3].

К настоящему времени на территории ВУРСа древесные растения, появившиеся ранее 1957 г., являются единственным объектом природных экосистем, несущих информацию о реакции биоты на начальный «острый» период облучения. Основной лесообразующей породой на территории головной части следа является береза бородавчатая, рощи сосен старше 80 лет в этом районе немногочисленны и занимают небольшую площадь [5]. Однако в качестве радиоэкологического и дендроиндикационного объектов исследования сосна имеет ряд преимуществ перед березой. В частности, для сосны обыкновенной характерна высокая радиочувствительность, кроме того, этот вид является референтным модельным организмом, рекомендованным Международной комиссией по радиационной защите [6]. В настоящее время наиболее загрязненным участком ВУРСа, на котором сохранились древостои сосны старше 1957 г. рождения, является участок с плотностью современного загрязнения почвы ⁹⁰Sr около 6 МБк/м² (начальный уровень загрязнения 26.7 МБк/м²). Ранее нами была определена динамика радиального прироста растущих здесь деревьев и показано связанное с облучением снижение их радиального прироста в 1959–1962 гг. [7].

Помимо исследования линейных параметров годичного прироста деревьев, все большее количество дендрохронологических работ фокусируется на анализе других характеристик годичных колец [8, 9]. В частности, для реконструкции динамики климата и экстремальных событий используется анализ анатомического строения древесины [10–14]. Применение методов количественной анатомии древесины позволяет охарактеризовать клеточный уровень организации тканей деревьев, который зачастую проявляет большую чувствительность к факторам внешней среды, чем ширина годичного кольца [15, 16]. В данной работе рассматривается влияние облучения на количественные параметры анатомической структуры годичных колец сосны обыкновенной в зоне ВУРСа.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Образцы древесины получены на участке, обозначенном в работе Kukarskih et al. [7] как Impact2, на котором современный уровень плотности загрязнения почвы⁹⁰Sr составляет около 6 МБк/м². Для анализа анатомического строения древесины P. sylvestris были отобраны керны с четырех деревьев, переживших Кыштымскую аварию. На подготовительном этапе все образцы были перекрестно сдатированы по ширине годичных колец относительно выборки контрольных деревьев, качество датировки проверяли в программе COFECHA [17, 18].

Подготовка микропрепаратов ксилемы проведена по стандартной методике [19, 20]. Для периода с 1952 г. по 1962 г. в трех рядах каждого кольца были измерены анатомические параметры клеток, а именно число клеток в ряду (ЧК), толщина клеточной стенки (ТКС) и диаметр люмена каждой клетки (ДЛ) (рис. 1). Таким образом, для каждого дерева проведена оценка анатомических параметров до Кыштымской аварии (1952–1957 гг.) и в первые годы после нее (1958–1962 гг.).

 

Рис. 1. Тонкий срез керна сосны обыкновенной из головной части ВУРСа (дерево № 1). На увеличенном фрагменте четко видны изменения анатомической структуры в годы после Кыштымской аварии

 

Измерения выполнены в программе ImageJ 1.53t с использованием пакета Fiji 2.14.0, а также плагина Bio-formats 6.11.1. Всего параметры были измерены у 11 699 клеток в годичных слоях радиального прироста. Разделение клеток на раннюю и позднюю древесину проведено на основании индекса Морка [21, 22]. Клетки со значением индекса более 1 включительно относили к поздней древесине, а менее 1 – к ранней. В ряде случаев в ранней древесине в середине периода роста наблюдались мелкие клетки с толстыми клеточными стенками (так называемые флуктуации плотности древесины) [23]. Для исключения влияния флуктуации плотности древесины при количественном описании параметров клеток, а именно ТКС и ДЛ, в анализ были включены клетки, входящие во второй и третий квартили по индексу Морка как для ранней, так и для поздней древесины каждого кольца.

Выраженным откликом анатомических параметров на аварию считали значения ДЛ и ТКС, которые в годичных кольцах, образованных после Кыштымской аварии, имеют статистически значимые отличия от параметров всех колец, образованных до времени облучения (в 1952–1957 гг.). Сравнения проводили для выборок от восьми клеток включительно, использовали t-критерий Стьюдента. Для ЧК выраженным откликом считали двукратное изменение числа клеток относительно минимального значения данного параметра в 1952–1957 гг.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Реакция числа клеток ксилемы. Среднее число клеток ранней древесины дерева № 1 в 1952–1957 гг. составляло 150 (размах от 126 до 172 клеток), в 1958 г. показатель не изменился (145 клеток), тогда как в последующие годы произошло его резкое снижение. В 1959–1962 гг. он составлял 0, 0, 8 и 2 клеток соответственно (рис. 2). Поздняя древесина отреагировала на облучение уже в 1958 г. (образовалось только 2 клетки), тогда как в 1952–1957 гг. таких клеток было от 5 до 52 (в среднем 26). После 1958 г. число клеток поздней древесины у дерева № 1 было не более одной в год. Сходные, но менее выраженные закономерности отмечены для дерева № 2. В 1952–1957 гг. клеток ранней древесины было от 69 до 103 (в среднем 86), в 1958 г. – 99, а в 1959–1962 гг. – от 10 до 17 (см. рис. 2). Поздняя древесина дерева № 2 не показала реакции в 1958 г. (22 клетки), тогда как в 1952–1957 гг. их число составляло от 19 до 34 (в среднем 30). В 1959–1962 гг. число клеток поздней древесины существенно уменьшилось и составляло от 3 в 1959 г. до 15 в 1962 г. Дерево № 3 сформировало относительно немного клеток в течение всего периода наблюдений (1952–1962 гг.), значительного снижения их числа в послеаварийный период не отмечено. Для дерева № 4 обнаружено существенное снижение числа клеток ксилемы как ранней, так и поздней древесины в 1957 г., т. е. до Кыштымской аварии. На фоне этого снижения существенных отклонений показателя ЧК после облучения не отмечено.

 

Рис. 2. Изменчивость числа клеток ксилемы четырех деревьев сосны обыкновенной (1–4) на территории ВУРСа. Стрелками показаны годы после Кыштымской аварии (1958–1962), в которые среднее число клеток в ряду в 2 раза и более ниже этого показателя в доаварийные годы (1952–1957). Цифры над стрелками соответствует номеру деревьев

 

Реакция диаметра люмена и толщины клеточной стенки. Для дерева № 1 характерна наиболее выраженная реакция на облучение, включающая значительное снижение числа клеток ранней и поздней древесины в годы после Кыштымской аварии. Вследствие этого проведение статистических сравнений показателей ДЛ и ТКС ограничено. Лишь для параметров ранней древесины, образованной в 1958 и 1961 гг., возможно проведение надежных сравнений, так как число клеток в выборках более 8. Значения ДЛ для этих лет сопоставимы с показателями двух из шести доаварийных лет (p > 0.05). Значения ТКС в клетках, образованных в 1958 г., не отличаются от величин, отмеченных в 1953, 1955 и 1956 гг., тогда как в клетках 1961 г. они статистически значимо ниже всех доаварийных лет (p < 0.001) (табл. 1).

 

Таблица 1. Диаметр люменов и толщина стенок клеток ксилемы четырех деревьев сосны обыкновенной на территории ВУРСа (среднее значение ± SD)

Параметр	Зона годичного прироста	Годы	Номер дерева
			1	2	3	4
Диаметр люмена, µ	Ранняя древесина	1952	23.2 ± 3.7	27.9 ± 4.3	34.2 ± 5.3	30.1 ± 4.5
		1953	28.4 ± 4.6	33.0 ± 5.2	39.9 ± 6.9	28.9 ± 5.1
		1954	24.0 ± 4.5	33.1 ± 6.7	39.1 ± 6.7	31.3 ± 5.2
		1955	27.6 ± 4.2	27.0 ± 5.5	35.1 ± 7.5	30.8 ± 5.3
		1956	30.6 ± 4.8	29.4 ± 4.3	39.5 ± 6.4	31.1 ± 5.0
		1957	26.7 ± 4.3	30.8 ± 5.0	34.1 ± 7.7	26.5 ± 4.6
		1958	27.2 ± 6.0	30.3 ± 6.7	33.7 ± 6.9	38.0 ± 6.9*
		1959	ND	29.7 ± 3.5	40.1 ± 5.5	34.8 ± 3.5*
		1960	ND	33.8 ± 5.4	40.6 ± 8.1	39.7 ± 5.9*
		1961	20.8 ± 5.7	30.0 ± 3.8	37.0 ± 6.8	36.5 ± 3.9 *
		1962	12.9 ± 4.1**	31.2 ± 6	37.9 ± 8.9	32.6 ± 5
	Поздняя древесина	1952	12.0 ± 2.7	9.8 ± 2.3	10.8 ± 3.4	14.0 ± 2.8
		1953	12.7 ± 2.3	10.0 ± 3.0	13.5 ± 3.3	12.4 ± 2.4
		1954	14.2 ± 2.5	12.1 ± 2.4	14.8 ± 2.2	15.8 ± 2.5
		1955	12.6 ± 3.9	12.6 ± 3.9	16.1 ± 2.9	11.2 ± 2.2
		1956	14.6 ± 3.9	10.9 ± 1.9	16.2 ± 2.9	12.3 ± 3.4
		1957	16.3 ± 2.9	17.0 ± 2.4	15.4 ± 2.8	7.3 ± 0.8
		1958	9.6 ± 4.1**	10.1 ± 1.8	13.0 ± 2.1	9.5 ± 1.0
		1959	ND	5.7 ± 1.9*	11.4 ± 1.7	6.0 ± 0.8
		1960	ND	6.1 ± 1.4*	17.3 ± 2.6	9.6 ± 2.5
		1961	6.3 ± ND**	9.6 ± 2.3	14.2 ± 2.5	11.3 ± 2.8
		1962	4.1 ± ND**	11 ± 2.1	16 ± 3.3	16.6 ± 4.9
Толщина	Ранняя древесина	1952	2.8 ± 0.4	3.2 ± 0.5	3.2 ± 0.5	2.9 ± 0.4
клеточной		1953	3.0 ± 0.5	3.5 ± 0.6	3.5 ± 0.6	2.7 ± 0.5
стенки, µ		1954	3.4 ± 0.5	3.3 ± 0.7	2.7 ± 0.5	2.8 ± 0.5
		1955	3.1 ± 0.5	2.9 ± 0.6	2.9 ± 0.5	2.9 ± 0.5
		1956	3.1 ± 0.5	3.3 ± 0.5	2.9 ± 0.5	2.9 ± 0.4
		1957	3.3 ± 0.6	3.7 ± 0.7	2.8 ± 0.7	1.8 ± 0.4
		1958	3.1 ± 0.6	3.4 ± 0.7	3.0 ± 0.5	2.4 ± 0.3
		1959	ND	2.6 ± 0.3*	2.9 ± 0.4	2.7 ± 0.3
		1960	ND	2.7 ± 0.4	3.2 ± 0.7	2.8 ± 0.5
		1961	2.1 ± 0.4*	2.7 ± 0.4	2.8 ± 0.4	2.6 ± 0.4
		1962	1.7 ± 0.2**	3.1 ± 0.7	3.1 ± 0.6	3.1 ± 0.6*
	Поздняя древесина	1952	4.2 ± 0.9	6.3 ± 1.4	4.6 ± 1.4	4.7 ± 0.9
		1953	4.2 ± 0.7	5.9 ± 1.3	5.4 ± 0.8	4.0 ± 0.7
		1954	4.0 ± 0.7	5.9 ± 1.1	4.7 ± 0.6	4.4 ± 0.7
		1955	4.0 ± 1.2	5.2 ± 1.4	5.1 ± 0.8	3.2 ± 0.5
		1956	4.5 ± 1.2	5.8 ± 1.0	5.1 ± 0.8	3.7 ± 0.9
		1957	4.9 ± 0.9	5.7 ± 0.8	4.9 ± 1.0	2.4 ± 0.4
		1958	2.8 ± 0.8**	4.3 ± 0.6*	5.0 ± 0.6	3.3 ± 0.2
		1959	ND	2.7 ± 0.3*	4.3 ± 0.5	2.7 ± 0.4
		1960	ND	3.5 ± 1.2*	5.1 ± 0.7	3.4 ± 0.6
		1961	2.8 ± ND**	4.2 ± 1.2	4.6 ± 0.7	4.3 ± 1.0
		1962	2.1 ± ND**	4.6 ± 1.1	4.7 ± 0.9	4.6 ± 1.3

Примечание. ND – нет данных; * – годы после Кыштымской аварии, в которые значение показателя для данного дерева статистически значимо (p < 0.05) отличается от всех значений, отмеченных в доаварийные годы; ** – год, в котором у дерева № 1 в данной зоне годичного прироста отмечено менее ٨ клеток (статистические сравнения для подобных выборок не проводили).

 

Для дерева № 2 ТКС ранней древесины в 1959 г. была статистически значимо ниже значений, отмеченных в 1952–1957 гг. (p < 0.001). Для клеток ранней древесины, образованных в 1960–1961 гг., наблюдается сходная закономерность, за исключением того, что параметр ТКС у них не отличается от величин, полученных для 1955 г. Значения ТКС ранней древесины в 1962 г. были сопоставимы с доаварийными уровнями. Клетки поздней древесины, образованной в 1958–1960 гг., в среднем были меньше, чем в кольцах 1952–1957 гг. (p < 0.01). Для клеток 1961 и 1962 гг. наблюдается сходная закономерность, за исключением того, что параметр ТКС у них не отличается от значений, отмеченных в 1955 г. Для поздней древесины 1959–1960 гг. отмечено статистически значимое снижение ДЛ клеток в сравнении с клетками, образованными в 1952–1957 гг. (p < 0.01).

Для дерева № 3 показатели ДЛ и ТКС в период после облучения (1958–1962 гг.) статистически сходны со значениями, отмеченными в один или несколько доаварийных лет. Для дерева № 4 характерно увеличение ДЛ ранней древесины в кольцах 1958–1961 гг. относительно колец 1952–1957 гг. (p < 0.01). Для поздней древесины этой закономерности не обнаружено. ТКС ранней древесины дерева № 4 в 1962 г. была статистически значимо выше (p < 0.01), чем в 1952–1957 гг. (см. табл. 1).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Анатомические параметры деревьев № 1 и 2 демонстрируют резкую реакцию на облучение, выражающуюся в наблюдаемом снижении всех исследуемых параметров в первые годы после аварии (см. рис. 2 и табл. 1). Наиболее заметные изменения произошли в количестве клеток как ранней, так и поздней древесины. Уменьшение диаметра люмена отдельных клеток наблюдается только у деревьев № 1 и 2, а у деревьев № 3 и 4 средний размер люмена может быть даже больше в годы после аварии. Острое облучение деревьев в первые месяцы после Кыштымской аварии оказало значительное влияние на толщину клеточной стенки ранней и поздней древесины деревьев № 1 и 2. Таким образом, ответ радиального прироста деревьев сосны обыкновенной на радиоактивное загрязнение в результате Кыштымской аварии в значительной степени различается, а показанное ранее снижение величины годичного прироста деревьев, находящихся в осевой части ВУРСа [7], в первые годы после аварии произошло главным образом за счет уменьшения количества клеток при незначительном изменении диаметра люменов клеток ранней древесины. Также клетки поздней древесины стали значительно «светлее» – имели более тонкие клеточные стенки в первые несколько лет после аварии.

Механизм наблюдаемых биологических эффектов, вероятно, связан не с прямым радиационным повреждением камбиальных инициалей, формирующих ксилему, а является результатом повреждения фотоассимиляционного аппарата деревьев. К такому заключению можно прийти, сравнивая отклик анатомической структуры хвойных в ответ на сильную дефолиацию. Объедание хвои насекомыми филлофагами приводит к уменьшению ширины годичного кольца, в поздней зоне формируются клетки с тонкими стенками, уменьшаются размеры люмена [24–27]. Влияние дефолиации на анатомическую структуру годичных колец можно классифицировать как опосредованное, оказывающее действие через уровень ассимилятов и гормонов роста [27].

Задержка отклика деревьев на аварию обусловлена двумя фактами: датой самой аварии и физиологией древесных растений. Авария произошла 29 сентября 1957 г., в конце вегетационного периода, когда физиологические процессы в дереве замедлены, а годичное кольцо уже сформировано, следовательно, реакции прироста в 1957 г. не стоило ожидать. Более того, к этому времени у деревьев уже могло быть накоплено достаточно ресурсов для роста в 1958 г., в частности сформированы запасы неструктурных углеводов. Свидетельством наличия таких запасов является итоговый показатель ширины годичного кольца 1958 г., и лишь характеристики клеток поздней древесины у отдельных деревьев отразили начало реакции на радиоактивное загрязнение. Таким образом, эффект загрязнения проявился не сразу, а с временным лагом, в течение которого ростовые функции деревьев поддерживались за счет запасов неструктурных углеводов.

Причинами наблюдаемой индивидуальной реакции деревьев на облучение в первые годы после Кыштымской аварии могут быть индивидуальные различия в радиочувствительности особей, синергетические эффекты, связанные с различным влиянием разного рода стрессоров на отдельные деревья, и т. д. Однако наиболее правдоподобным объяснением этого феномена, на наш взгляд, является различная дозовая нагрузка, полученная деревьями. Известно, что в поперечном сечении ВУРСа концентрации радионуклидов резко снижаются [4, 5], кроме того, имеет место выраженная гетерогенность радиоактивного загрязнения почв ВУРСа даже на участках с относительно небольшой площадью [28, 29]. Отобранные нами деревья удалены на расстояние до 200 м друг от друга. Деревья с наиболее выраженной реакцией на облучение (№ 1, 2) расположены примерно на 150 м ближе к центральной оси ВУРСа, чем деревья № 3 и 4. Выдвигаемая нами рабочая гипотеза заключается в том, что этих расстояний достаточно для того, чтобы объяснить наблюдаемые различия в ответе анатомии древесины сосны обыкновенной. Для проверки этой гипотезы отбор кернов деревьев необходимо сопровождать индивидуальной оценкой концентраций радионуклидов в самом дереве либо в почве в месте его нахождения. О перспективности такого подхода свидетельствует наш опыт анализа биохимических особенностей грызунов ВУРСа. В проведенных работах оценка индивидуальной мощности дозовых нагрузок, получаемых животными, позволила наилучшим образом объяснить наблюдаемую изменчивость параметров биохимических маркеров [30, 31].

До настоящего времени радиационная дендрохронология оперировала выборками деревьев, полученными на определенном участке с усреднением полученных величин [7, 32, 33] либо анализом единичных деревьев [34, 35]. При небольшом числе включенных в анализ участков наблюдаемые различия биологического ответа деревьев могли быть связаны не столько с дозовыми нагрузками, сколько с иными особенностями участков (почвы, рельеф, тип и возраст леса и т. п.). Индивидуальная дозиметрия, оценка концентраций радионуклида в тканях дерева либо почве у дерева позволит изменить методику проводимых в настоящее время экспериментов и сделать объектом анализа не группу рядом растущих деревьев, а отдельных особей, находящихся в относительно сходных условиях природной среды, и тем самым более точно определять влияние радиационного фактора.

ВЫВОДЫ

По результатам проведенного пилотного исследования можно выделить следующие преимущества методов количественной анатомии древесины по сравнению с измерением ширины древесных колец сосны обыкновенной для решения задач радиационной экологии:

1. Повышение точности датировки начала биологического ответа деревьев на радиационное воздействие. Ранее по результатам измерения ширины древесных колец был сделан вывод о том, что ответ годичного прироста древесины на анализируемом участке начался в 1959 г. [7]. В данной работе была показана реакция поздней древесины уже в 1958 г.
2. Возможность использования статистических тестов при сравнении характеристик различных годичных колец одного дерева. Измерение ширины годичных колец не позволяет применять широкий набор статистических методов при сравнении колец одного дерева, образованных в разные годы, так как при этом отсутствуют повторные наблюдения. Использование в качестве учетных единиц отдельных клеток решает эту проблему.
3. Возможность описания механики снижения ширины годичных колец сосны обыкновенной после Кыштымской аварии. Снижение годичного прироста произошло главным образом за счет уменьшения количества клеток при незначительном изменении линейных размеров клеток. Кроме того, клетки поздней древесины стали значительно «светлее» – имели более тонкие клеточные стенки в первые несколько лет после аварии.
4. Более глубокое понимание механизмов, приводящих к наблюдаемым биологическим эффектам. Вероятно, наблюдаемые изменения анатомической структуры ксилемы были обусловлены повреждением фотоассимиляционного аппарата деревьев, а не прямым радиационным повреждением формирующих ксилему камбиальных инициалей.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-27-00467, https://rscf.ru/project/23-27-00467/.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

Настоящая статья не содержит исследований с участием людей или животных в качестве объектов исследования.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Авторлар туралы

V. Kukarskih

Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: mmodorov@gmail.com
Ресей, Ekaterinburg

A. Komarova

Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: mmodorov@gmail.com
Ресей, Ekaterinburg

A. Vakhrusheva

Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: mmodorov@gmail.com
Ресей, Ekaterinburg

A. Arzac

Siberian Federal University

Email: mmodorov@gmail.com
Ресей, Krasnoyarsk

M. Modorov

Institute of Plant and Animal Ecology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: mmodorov@gmail.com
Ресей, Ekaterinburg

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар