Биокинетика техногенных радионуклидов водной биотой Тема 3 Трофический перенос радионуклидов Тема 3

Миграция техногенных РН в трофических сетях

биокинетика Поглощение (uptake, intake) Сорбция, накопление Выведение

Основные термины биокинетики Биосорбция (ионный обмен, электростатическое взаимодействия и пр.) – пассивное накопление – на поверхности клеток Аккумуляция – активное накопление – процесс, требующий затраты энергии – перенос во внутриклеточное пространство Ассимиляция, задержка (assimilation, retention) задержка (retention), Выведение, очистка (depuration), биологическое полувыведение (biological half-life)

Основные термины биокинетики Коэффициент накопления или коэффициент перехода (concentration factor, transfer factor) В радиоэкологии КН имеет любое положительное значение KH>1 - накопление

биосорбция

Biosorption of 241 Am by apical shoots of Elodea Part of the shoot 241 Am content 241 Am in the biomass 241 Am per unit area Bq% of totalkBq/gBq/cm 2 Apical leaves8.7± ±1.21.5±0.40.8±0.1 Distal leaves58.7± ±2.95.2±1.12.6±0.6 Stem17.1± ±2.92.0±0.42.3±0.4 All leaves on the stem67.4± ±2.94.0±0.92.0±0.3 Entire shoot84.5± ±0.72.0±0.3 Distribution of 241 Am among different parts of E. canadensis shoots Fig. 1. Distribution of 241 Am between parts of Elodea shoots (% of total activity in the entire shoot). Fig. 2. Surface of Elodea leaves Apical leafDistal leaf

RESULTS: Distribution of 241 Am among cell compartments Fraction of 241 Am % of 241 Am (mean±SD, n=3) Size of biomass particles, µm Dissolved in cytozol, bound with macromolecules 5.2±1.2< 0.2 Bound with cell walls, plasmalemma, organelles 94.8±1.2 > 0.2 Total in biomass100 Distribution of 241 Am among intracellular compartments and biomass particles of E. canadensis shoots Distal leaf Homogenization of Elodea biomass destroyed both the cells and the majority of chloroplasts. Fig. 3. The view of homogenized biomass

Биоаккумуляция-накопление- энергозависимый процесс

Транспорт металлов в клетке контролируется метаболически В 1990-х (1996 – L.Kochian – pers.comm) гг выделены гены, отвечающие за транспорт металлов в дрожжах Семейства белков-переносчиков [ Сhrispeels et al., 1999; Grotz, Guerinot, 2006 ] ZIP (известно белее 100 белков на всех филогенетических уровнях) – отвечают за транспорт железа, цинка через плазм. Мембрану и тонопласт; Nramp – широкая специализация транспорта CDF (Cation Diffusion Facilitator) найдены в бактериях, грибах, растениях, животных – отвечают за транспорт металлов из цитоплазмы в органеллы и вывод во внеклеточную среду. HMA (Heavy metal ATPase) – отвечают за гомеостаз Zn и специфический транспорт Cd IRT (Iron Regulated Transporter) – белки - принадлежат семейству ZIP и отвечают за транспорт железа YSL – Fe-фитосидерофоры И т.д. Сhrispeels et al., The Plant Cell, Vol. 11: , 1999 Grotz, Guerinot, Biochimica et Biophys Acta 1763: , 2006

Поступление металлов в клетку Проникновения ионов металлов через клеточную мембрану возможно только через специальные белки (канальные белки, котранспортеры, АТФ- насосы) Неэссенциальные металлы/металлоиды проникают в клетку через «чужие» транспортеры Cd 2+ поступает в клетку через транспортеры Zn 2+, Fe 2+, и Ca 2+ [Clemens, Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie 88(11): ]

Citrate Histidine Phytosiderophores фитохелатины Callahan DLCallahan DL, Baker AJ, Kolev SD, Wedd AG. Metal ion ligands in hyperaccumulating plants J Biol Inorg Chem Jan;11(1):2-12.Baker AJKolev SDWedd AG Clemens, Toxic metal accumulation, responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants. Biochimie 88(11): Биомолекулы – лиганды, которые участвуют в связывании, переносе и хранении накопленных металлов в растениях

Что такое сидерофоры Cидерофоры – специально синтезируемые при дефиците железа и выделяемые многими микроорганизмами [Braun, 1997; Sigel, Sigel., 1998] сравнительно низкомолекулярные вещества, которые специфически хелатируют железо(III) с образованием прочных комплексов с константами устойчивости порядка –10 35 [Braun, 1997], повышая его биодоступность (растения либо выделяют аналогичные вещества – фитосидерофоры, либо используют для усвоения железа экзогенные сидерофоры микроорганизмов) [Камнев, Перфильев, 2000]. Сидерофоры – низкомолекулярные, прочные, метал- хелатирующие агенты, продуцируемые большинством микробов и растениями для связывания и доставки железа в клетку по системам активного транспорта [ARQ] Фитосидерофоры – семейство небелковых аминокислот [ARQ]

Известные фитосидерофоры Большинство генов, вовлеченных в биосинтез фитосидерофоров уже клонированы [Curie C., Briat J-F. Iron transport and signaling in plants. Annu. Rev. Plant Biol. 2003, 54: ] Семейство фитосидерофоров мугиеновой кислоты, никотинамин – предшественник синтеза ФС, EDTA, укс.кислота

Сидерофоры могут образовывать комплексы и с другими металлами Murakami et al., Chem Letters, 1989, 2137; Von Wiren et al., Plant Physiol. 1999, 119, 1107; Hiridate & Inoue, Soil Sci. Am. J. 1998, 62,159; Mino et al., Inorg Chem , 3440

Плутоний в окружающей среде Считается, что плутоний в окружающей среде существует преимущественно в виде слабо растворимых и/или прочно сорбированных Pu(IV) гидроксидов или оксидов и, таким образом, риск того, что он станет мобильным или биодоступным очень мал. Компоненты, которые растворяют плутоний или изменяют его заряд могут значительно увеличить его биодоступность и мобильность. Pu(IV) считается химическим аналогом Fe(III)

Микробные сидерофоры влияют на растворимость плутония Microbial siderophore influence on plutonium biogeochemistry Neu, M.P. / Boukhalfa, H. / Ruggiero, C.E. / Lack, J.G. / Hersman, L.E. / Reilly, S.D., Journal of Inorganic Biochemistry, 96 (1), p.69-69, Jul 2003 Microbial siderophore influence on plutonium biogeochemistry

Связывание Pu(IV) сидерофорами Растворимый комплекс плутоний- сидерофор [Pu(IV) (Desferrioxamine E)(H2O)3]+ из E.coli [ARQ, 2003] Другой вид той же структуры Pu(IV)-DFE docked into FhuD from E. coli. Модель исходит из гипотезы, что Pu- siderophores могут занимать то же самое место, что и Fe-siderophores (Fe(III)- DFOB), не смотря на координационные различия Сидерофоры могут трансформировать плутоний из различных растворов и твердого состояния в растворимые комплексы плутоний-сидерофор (см. рис.) были аналогичные исследования для U (VI)

Микробная трансформация плутония (A.J.Francis) – ARQ, 2006 Бактерии (почвенные) увеличивают растворимость Pu(IV) изменяя рН и, возможно, посредством секреции органических кислот (цитрата, ацетата, бутирата) Clostridium уменьшает рН и Eh среды и приводит к окислению плутония в более мобильную форму Pu(IV) Pu(III) Pseudomonas в результате метаболизма изменяется стабильность наиболее устойчивого в растворе комплекса плутония с цитратом и образуется новый комплекс плутоний-бицитрат. Clostridium sp. Pseudomonas fluorescens комплекс плутоний – бицитрат Biotic and abiotic redox transformations of soil plutonium.

Процесс фиторемедиации плутония (плюсы и минусы использования сидерофоров) [ARQ, 2003]

Коллоквиум 3 Накопление РН водной биотой

Перенос РН в трофических сетях Эффективность трофического переноса РН; Биомагнификация техногенных радионуклидов в трофической цепи. Биогенный вынос РН из водоемов

Трофическая цепь (р.Енисей) zoobenthos Benthophages Omnivorous BurbotPike GraylingDace GammarusCaddish worm

24 caddis worm (Apatania crymophila McLachlan) gammarus (Philolimnogammarus viridis)

Upper surface of leaves of aquatic moss Fontinalis antipyretica Distal leaf (magnification x 100 times) Apical leaf (magnification x 400 times)

Виды рыб Lota lota L. (Burbot) Esox lucius L. (Northern pike ) Leuciscus leuciscus baicalensis (Dybowski) (Dace) Thymallus arcticus (Pallas) - Arctic grayling Carassius gibelio (Bloch) – crucian carp Piscivorous Benthophages Omnivorous

Seasonal dynamics of grayling nutrition Gammarus Caddish worm Other

28 Radionuclides in zoobenthos, Bq/kg IsotopeGammarusCaddish worm AshDry massAshDry mass 7 Be60±15-53± K849±61251±43647±43194±36 46 Sc16±228±18±1- 51 Cr105±1665±14224±1984±14 54 Mn27± Co24± Co1100±2425±233±214±2 65 Zn185±929±4116±643±4 85 Sr---7±17±1 99 Mo9±69±6552±99325±10116±6 137 Cs154±77±27±255±39±29±2 144 Ce-7±37±37±47± Eu--15± Np156±26---

Concentration of artificial radionuclides in piscivorous and benthophagic fish (whole body, fresh mass)

Transfer factors: from gammarides to muscles and total body of benthoth-feeding fish

Transfer factors: from dace and grayling to muscles of omnivorous fish

техногенный элемент, наиболее распространенный изотоп америция, известен с 1944 г.; Один из наиболее радиотоксичных радионуклидов. В реке Енисей трансурановые элементы 241 Am, 238 Pu, 239,240 Pu, 239 Np обнаружены в пойменных почвах, донных отложениях и биомассе водных растений 1,2 241 Pu(T 1/2 =14.3г) 237 Np(T 1/2 =2.1*10 6 лет) 241 Am(T 1/2 =432.7лет) 241 Am(T 1/2 =432.7лет), 1.Болсуновский А.Я. и др. ДАН, 2002, 387 (2): ; 2.Bolsunovsky et al., Radioprotection. 2009

Накопление 241 Am рыбами 1. Ikaheimonen T.K., Saxen R Transuranic elements in fishes compared to 137Cs in certain lakes in Finland. Boreal environment research 7: Гудков Д.И., Деревец В.В., Зуб Л.Н. и др Распределение радионуклидов по основным компонентам озерных экосистем зоны отчуждения Чернобыльской АЭС. Радиационная биология. Радиоэкология. 45 (3): Carvalho F.P., Fowler S.W., Rosa J.La Assimilation, inter-organ transfer and excretion of americium in two teleost fish. Marine Biology 77: Bustamante P., Teyssie J.-L., Fowler S.W., Warnau M Assessment of the exposure pathway in the uptake and distribution of americium and cesium in cuttlefish (Sepia officialis) at different stages of its life cycle. J Exp. Mar. Biol. Ecol., 331 (2): ВОДА ПИЩА 241 Am регистрируется в биомассе пресноводных и морских рыб, обитающих в естественных водоемах 1,2 ; Исследовано накопление 241 Am морскими рыбами из воды и из животной пищи 3,4 ; мало данных по пресноводным рыбам!

Carassius gibelio (Bloch) карась серебряный Order - Cypriniformes Family - Cyprinidae Genus – Carassius Представитель бореального равнинного фаунистического комплекса. Оседлая рыба, предпочитает илистое дно, покрытое водной растительностью. Карася серебряного относят по типу питания ко II трофическому уровню: животноядные, питающиеся беспозвоночными

Спектр питания карася серебряного: среднегодовой вклад водных растений может достигать 67 % 1 1. Рябов И.Н. Радиоэкология рыб водоемов в зоне влияния аварии на чернобыльской АЭС. М.: Товарищество научных изданий КМК с.

Карась в реке Енисей - Вблизи с.Хлоптуново (выделено желтым)

Методика кормления Шприц с гомогенатом Катетер экскременты Проба на измерение содержания америция Содержание 241 Am в пробах измеряли на гамма-счетчике Wallac 1480 Wizard 3 (PerkenElmer, Finland) Гомогенат растений вводили в пищевод за глоточные зубы «Отрыжка»

Содержание рыб после принудительного кормления гомогенатом растений Ежедневно измеряли содержания 241 Am В фекальных пеллетах; В воде После принудительного кормления рыб (5 штук) содержали раздельно После экскретирования первой (зеленой) фекальной пеллеты (через сутки): - Рыб переводили на самостоятельное кормление сухим кормом – в 1-м и 2-м экспериментах; - Рыб не кормили – в 3-м эксперименте

Ассимиляция америция-241 водными животными рачками из микроводорослей - < 1%; 1 двустворчатыми моллюсками из микроводорослей - до 40%; 2 Морскими рыбами из меченых червей – 1 %; морскими рыбами (палтус и др) из морских лещей (метили раствором РН) – 6-15 % 3 Пресноводными рыбами (радужная форель) из воды 4 ; Ассимиляция америция морскими рыбами из пищи невелика! Ассимиляция в наших экспериментах – 4 – 12 % 1.Reinfelder J.R., Fisher N.S. The assimilation of elements ingested by marine copepods. Science, 251, P Reinfelder J.R., Wang W.-X., Luoma S.N., Fisher N.S. Assimilation efficiencies and turnover rates of trace elements in marine bivalves: a comparison of oysters, clams and mussels. Marine biology. 1997, 129: Mathews T., Fisher N.S., Jeffree R.A., Teyssie J.-L Assimilation and retention of metals in teleost and elasmobranch fishes following dietary exposure. Mar. Ecol. Prog.Ser., 360: Vangenechten J.H.D., Van Puymbroeck S., Vanderborght O.L.J Curium-244 and amtriciun-241 uptake in freshwater fish. Technological and environmental chemistry 19:

Вынос техногенных радионуклидов из водных экосистем О.Л. Орлов, А.И. Смагин ИССЛЕДОВАНИЕ ЗООГЕННОГО ВЫНОСА РАДИОНУКЛИДОВ РУКОКРЫЛЫМИ. ВОПРОСЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 4, с

Содержание техногенных радионуклидов в воде водоемов, в насекомых и в помете животных

Содержание техногенных радионуклидов в в телах летучих мышей

Коллоквиум 4 Трофический перенос РН