Последствия Чернобыльской катастрофы

  Наибольшему радиационному воздействию подверглись природные и аграрные экологические системы в 30-километровой зоне ЧАЭС. Чернобыльская авария произошла в конце апреля - период ускоренного роста и формирования репродуктивных органов, когда растительные сообщества и многие представители мезофауны наиболее радиочувствительны. Максимальное радиационное воздействие на объекты живой природы пришлось на первые 10-20 дней с момента аварии, когда значительный вклад в поглощенную дозу вносили короткоживущие изотопы. Сразу после аварии в подвергшихся радиоактивному загрязнению районах были начаты исследования, выявившие многочисленные факты радиационного поражения растений и животных.

         Радиационное  воздействие на растения 

Древесные растения

Основную  часть лесов 10-километровой зоны ЧАЭС составляли сосняки 30-40-летнего возраста. Высокая задерживающая способность обусловила аккумуляцию в древесном ярусе 60-90% радиоактивных выпадений. Даже через 3 года после аварии плотность радиоактивного загрязнения в лесах 10-километровой зоны составляла 3900-11000 Ки/км². Было выделено четыре различающиеся степенью радиационного поражения леса зоны: 1) летальная площадью 600 га; 2) сублетальная площадью 3800 га, в которой усохло 40-75% деревьев; 3) среднего поражения площадью 11900 га; 4) слабого воздействия, охватывающая остальные леса 30-километровой зоны.

  Первые  признаки радиационного поражения  сосновых лесов - пожелтение и отмирание  хвои - появились через 2-3 нед. у деревьев в непосредственной близости от АЭС, серьезное повреждение сосновых лесов наблюдалось на расстоянии до 7 км. Радиационные ожоги и частичное поражение коры сосны были отмечены при мощности экспозиционной дозы 130 мР/ч. Дозовые нагрузки на хвою сосны, вызывавшие полное усыхание крон и гибель деревьев, составили 60-100 Гр. К концу вегетационного периода 1986 г. у облученных в дозах 10-60 Гр сосен полностью погибли начавшие рост побеги и генеративные органы, большая часть спящих почек, произошел частичный некроз хвои прошлых лет.

Период  острого облучения совпал с микро- и макроспорогенезом, гаметогенезом и ранним эмбриогенезом сосны. Это проявилось в виде разнообразных нарушений семяпочек двух генераций (шишки у сосны развиваются два года). При поглощенной дозе 3.8-5.2 Гр наблюдали частичную женскую стерильность (снижение гаметофитной выживаемости опыленных в 1986 г. семяпочек и уменьшение эмбриональной выживаемости семяпочек, опыленных в 1985 г.). При дозах 7-9 Гр зафиксировано угнетение роста ауксибластов и хвои. Дозы 8-10 Гр вели к отмиранию молодых побегов у елей 25-летнего возраста, а через 2-3 года - к гибели большинства облученных деревьев. У 40-летних елей после облучения дозами 2.5-3 Гр масса побегов уменьшилась на 60%, на 20%снизилась масса 100 хвоинок. До 80% поглощенной в 1986 г. дозы было накоплено в тече-ние первого месяца после аварии. Процесс лучевого поражения крон хвойных деревьев продолжался до осени 1986 г. Отмирание сосущих и тонких проводящих корней началось во второй половине вегетационного периода 1987 г.

 Из  лиственных деревьев в районе Чернобыльской АЭС наиболее распространены береза, осина,  ольха, акация и дуб. Они значительно устойчивее хвойных к радиационному воздействию, поэтому поражение крон лиственных деревьев наблюдалось  лишь в непосредственной близости от разрушенного реактора. Поражение листьев березы и акации зарегистрировано на участках, где γ-фон превышал 500 мР/ч. У берез, получивших дозы порядка 500 Гр, к середине августа практически полностью погибли молодые побеги, а листья пожелтели и осыпались, осенью был отмечен некроз отдельных ветвей.

  С весны 1987 г. началось восстановление деревьев, сохранивших хотя бы небольшую часть хвои. Оно происходило за счет роста более резистентных спящих клеток, частично защищенных от бета-излучения покровными тканями. Дозы, после облучения в которых еще наблюдались восстановительные процессы, составляли для сосны обыкновенной 50-60 Гр, для ели европейской -10-12 Гр. У сосен, получивших дозы 15-20 Гр, из-за гибели побегов 1986 г. снизилась масса вновь образующейся хвои. Компенсация происходила за счет формирования в 1987 г. более крупной хвои (в 1.5-2.3 раза больше, чем в контроле) и увеличения продолжительности ее жизни. Снижение прироста побегов по сравнению с контролем в 1987 г. наблюдалось у деревьев начиная с дозы 0.43 Гр , а полное прекращение роста - при дозе 3.45 Гр.

  Начало  восстановительных процессов сопровождалось массовым появлением морфологических нарушений, обусловленных снятием апикального доминирования, нарушением геотропизма, изменением формы, размеров и количества хвоинок в пучке, нарушениями в порядке закладывания и количества ежегодных побегов, бесхлорофильными химерами. По содержанию общих и индивидуальных белков, организации генома, особенностям его экспрессии и кариотипу морфологически аномальная хвоя отличалась от контрольной. Аналогичные эффекты в 5-километровой зоне вокруг реактора зафиксированы у лиственных деревьев (гигантизм листьев, изменение формы листовых пластинок). Аномальный морфогенез сопровождался существенными изменениями в метаболизме сформировавших морфологические аномалии клеток.

В 5-километровой зоне вокруг разрушенного реактора в 1987 г. часть мужских и женских  сережек у березы имели разветвленную и скрученную форму, отмечен некроз пыльников. К середине лета края листьев на этих деревьях приобрели ярко-желтую окраску, середина оставалась зеленой. В верхней части кроны развивались темно-зеленые листья необычно большого размера. В 1988 г. деревья восстановили нормальную окраску и форму листвы. Но даже через 10 лет после аварии радиоактивное загрязнение оказывало заметное влияние на стабильность процессов в онтогенезе растений. В 1996 г. уровень флуктуирующей асимметрии листовых пластинок белой акации и рябины был положительно связан с плотностью радиоактивного загрязнения.

Травянистые растения

  В 1986 г. признаков радиационного поражения  травянистых растений не наблюдали  даже в 10-километровой зоне. Основной вклад  в поглощенные дозы вносило β-излучение, на долю γ-излучения приходилось 5-10%. У озимой пшеницы при мощности экспозиционной дозы на 15-й день после аварии 7.5 мР/ч число семян в колосе было пониженным, стерильность растений достигала 25%, урожайность составила 10 ц/га. При поглощенной дозе за первый месяц 15 Гр было зафиксировано снижение урожая озимой ржи на 50% и частичная стерильность зерна. В то же время всхожесть семян озимой пшеницы при дозе за первый месяц 10-40 Гр была удовлетворительной (67-95%), морфологические показатели проростков были в пределах нормы.

  У дикорастущих растений частичная и  полная стерильность семян наблюдалась при дозах за первый месяц 40 Гр (вика) и 10 Гр (одуванчик, арабидопсис). Мышиный горошек, заселявший участок с мощностью экспозиционной дозы 2 мР/ч, имел бобы преимущественно с 1-2 горошинами. Доля полностью стерильных плодов достигала 7%, эмбриональных летальных мутаций - 13%. В контроле эти показатели составляли 4.5 и 3% соответственно. С увеличением мощности дозы γ-излучения наблюдали достоверное снижение всхожести и массы 1000 семян ежи сборной. В то же время, при исследовании собранных в 1986 г. в 30-километровой зоне (мощность дозы 0.05-700 мР/ч) семян 26 видов дикорастущих травянистых растений не было выявлено достоверного изменения массы, всхожести и силы роста.

  Повышенный  уровень мутаций в фитоценозах  проявился в 1987 г. в виде морфологических  изменений. Морфозы фиксировались начиная с мощности экспозиционной дозы γ-излучения 20-30 мР/ч на 10 мая 1986 г . Чаще всего встречались фасциация и ветвление стеблей, махровость, изменение соцветий, окраски и размеров листовых пластинок и цветов. При мощности дозы 75-150 мР/ч наблюдали усиление вегетативного размножения (вереск) и гигантизм отдельных видов растений. У подорожника ланцетолистного частота морфозов возрастала с увеличением плотности радиоактивного загрязнения. При репродукции его семян в контролируемых условиях обнаружена повышенная частота тератологических изменений, особенно в строении соцветий.

  Плотность травянистого покрова вблизи населенного пункта Янов (30-километровая зона ЧАЭС) в 1987 г. сократилась с 740 до 310 экземпляров/м² по мере увеличения мощности экспозиционной дозы γ-излучения с 50 до 3500 мР/ч. При этом число одних видов сокращалось с ростом дозы, а других - возрастало из-за ослабления межвидовой конкуренции после выпадения радиочувствительных видов. Резкое сокращение числа видов растений на 2-ой год после аварии наблюдалось, начиная с мощности дозы γ-излучения 80 мР/ч. Видовое разнообразие по сравнению с доаварийным периодом не восстановилось к 1990 г.; доля радиочувствительных видов в фитоценозе снизилась к 1998 г. примерно в 4 раза.

  Бобы (Vicia faba L.) сорта Белорусские и горох (Pisum sativum L.) сорта Уладовский юбилейный выращивали на пяти участках с уровнями загрязнения 60-925 по ⁹⁰Sr и 150-2700 кБк/м² по 137Cs, поглощенная доза γ-излучения за 110 дней вегетационного периода менялась в пределах 0.03-2.5 Гр. Только при максимальной дозе у бобов были зарегистрированы признаки радиационного воздействия: снижение количества соцветий на растение, количества цветков в соцветии, количества цветков с измененным цветом, количества опавших на 70-й день цветков, количества семян в бобах и продуктивности. При дозах 0.03-0.15 Гр частота аберрантных клеток в корешках проросших семян у бобов составляла 1-2%, при 1.1 возрастала вдвое, при 2.5 Гр - в 8 раз. У гороха лишь при максимальной дозе регистрировали 4-кратное увеличение частоты аберраций. Эксперименты с этими культурами в контролируемых условиях показали, что сопоставимый по уровню эффект соответствует дозам хронического γ-облучения, в 10 раз превышающим наблюдавшиеся в условиях чернобыльской зоны. Этот вывод согласуется с данными о том, что в настоящее время в чернобыльской зоне 80-95% дозы растения и животные получают за счет внутреннего облучения. При поступлении в растения многие радионуклиды концентрируются в зонах роста, где происходит активное деление клеток. Поэтому реальные дозовые нагрузки на наиболее чувствительные части растений - меристемы - могут на порядок превышать оценки доз, рассчитанных из предположения о равномерном распределении радионуклидов по тканям растений.

  Генетические  эффекты

  Изучение  генетических процессов в популяциях растений было начато в мае 1986 г. по следующим основным направлениям:

• оценка интенсивности мутационного процесса в зависимости от мощности дозы;
• анализ зависимости доза-эффект для разных видов генетических нарушений;
• изучение динамики мутационного процесса в хронически облучаемых популяциях в ряду последовательных поколений и анализ микроэволюционных процессов.

  В первые годы после аварии в популяциях сосны обыкновенной частота мутаций ферментных локусов была в 4-17, а частота клеток с аберрациями хромосом в проростках семян в 1.5-7.2 раза выше, чем в контроле. Частота аберрантных клеток и мутаций ферментных локусов нелинейно зависела от уровня радиоактивного загрязнения, причем на единицу поглощенной дозы при низких уровнях загрязнения (5—10 Ки/км²) частота мутаций была в 16 раз выше, чем при высоких (400-550 Ки/км²). В 1987-1990 гг. скорость снижения частоты цитогенетических нарушений в хвое отставала от уменьшения радиоактивного загрязнения местности. Аналогичные результаты были получены и в экспериментах на сельскохозяйственных растениях. При дополнительном воздействии γ-облучения на семена сосны обыкновенной из хронически облучаемых популяций обнаружен эффект радиоадаптации по частоте клеток с аберрациями хромосом. У сеянцев семян сосны обыкновенной урожая 1986— 1989 гг. не было обнаружено различий по частоте хлорофильных мутаций, но по некоторым морфологическим мутациям обнаружены существенные отклонения от нормы.

  Частота аберрантных клеток корневой меристемы проростков семян озимых ржи и пшеницы урожая 1986 г. и их нагруженность повреждениями увеличивались вместе с дозой. Достоверное превышение спонтанного уровня аберраций зафиксировано при поглощенной дозе 3.1 Гр, угнетение митотической активности - 1.3 Гр, всхожести - 12 Гр, т.е. радиационное поражение сельскохозяйственных растений в 1986 г. по основным тестам было сходно с эффектом, индуцированным острым γ-облучением в сопоставимых дозах. Анализ трех последовательных поколений озимых ржи и пшеницы показал, что частота аберрантных клеток в интеркалярной меристеме во втором и третьем поколениях на наиболее загрязненных участках достоверно превышала этот показатель для первого поколения.

  За  период от всходов до микроспоро- и  гамето-генеза растения ячменя линии  waxy, выращивавшиеся на двух экспериментальных участках в г. Чернобыль (4.4 х 10-⁴ мГр/ч), (2.1 х 10-² мГр/ч) и в районе поселка Янов (17.3 х 10^-2 мГр/ч), получили дозы 0.05 сГр, 2.56 сГр и 21.12 сГр соответственно. У растений с первого участка было обнаружено 7.2% стерильных пыльцевых зерен, второго - 35.4%, третьего - почти 90%. На третьем участке выход waxy-реверсий составил 0.0452%, на участке 1 - 0.0038%, однако в расчете на единицу дозы выход мутаций был выше на наименее загрязненных участках.

  Анализ  PCR-фингерпринтов семян родительского и F1 поколений озимой пшеницы по 13 однокопийным мономорфным микросателлитам позволил оценить темп мутагенеза, составивший 6.63 х 10^-3/локус для популяции, заселяющей участок с плотностью радиоактивного загрязнения 900 Ки/км². Поглощенная озимой пшеницей за 10 мес. вегетации доза составила 0.3 Гр (0.2 Гр -внешнее, 0.1 Гр - внутреннее). У растений контрольной популяции, произрастающей на почве со сходными агротехническими характеристиками и плотностью радиоактивного загрязнения менее 1 Ки/км² темп мутагенеза составлял 1.03 х < 10^-3/локус.

  С 1986 г. в 30-километровой зоне ЧАЭС в течение 6 лет исследовали динамику мутационного груза в популяциях арабидопсиса (Arabidopsis thaliana Heynh. (L.). Мощность дозы на участках менялась в пределах 0.02-240 мР/ч. Первые 2-3 года после аварии, несмотря на резкое снижение мощности дозы, частота эмбриональных летальных и хлорофильных мутаций в популяциях арабидопсиса увеличивалась. В последующие годы частота летальных мутаций снизилась, но и в 1992 г. превышала спонтанный уровень. На протяжении всех 6 лет исследования высокие дозы индуцировали меньше мутаций на единицу дозы, чем низкие.

  Первые 4 года после аварии частота клеток с аберрациями хромосом в проростках Crepis tectorum L. нелинейно зависела от плотности радиоактивного загрязнения. Через 3 и 4 года после аварии наблюдалась корреляция между частотой клеток с аберрациями и частотой проростков с аномальным кариотипом. Нелинейная зависимость между цитогенетическим эффектом и мощностью дозы отмечена на том же объекте и в исследованиях, проведенных в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа, но аномальных кариотипов обнаружено не было. Не было найдено измененных кариотипов и спустя 7 лет после аварии на ЧАЭС в загрязненных радионуклидами районах Брянской обл.