Эффекты действия суточной экспозиции торфяного задымления на репродуктивную и нервную системы самцов белых крыс

Введение. Регулярное возникновение масштабных торфяных пожаров является актуальной медико-экологической проблемой. Образующийся дым представляет собой сложную смесь загрязняющих веществ, оказывающих серьёзное влияние на качество воздуха и здоровье населения.

Материалы и методы. В экспериментальных условиях осуществляли воздействие на взрослых самцов белых крыс торфяного дыма в течение 24 ч, концентрации РМ_2,5 и CO составляли 0,92 ± 0,08 и 40,8 ± 1,9 мг/м³ соответственно. По окончании экспозиции проводили исследование в тесте «открытое поле», ЭЭГ-исследование и гистологический анализ семенников и головного мозга экспонированных дымом животных, после чего их спаривали с интактными самками. Оценивали постнатальную гибель и динамику набора массы тела у потомства в первую неделю жизни, а также поведение и показатели электроэнцефалографии в период половой зрелости.

Результаты. У экспонированных дымом самцов выявлено повышение двигательной активности, тревожности и нарушение показателей ЭЭГ. Установлено увеличение клеток-теней и дегенеративно изменённых нейронов в нервной ткани; в семенниках изменений не выявлено. Воздействие торфяного дыма в период прогенеза повышало мертворождаемость и смертность потомства в первую неделю жизни, однако не оказывало влияния на прирост массы тела. Нарушение структуры поведения зафиксировано только у самок из полученного потомства. Выявлено нарастание медленноволновой активности головного мозга у самцов из полученного потомства.

Ограничения исследования. Исследование ограничено изучением на беспородных белых крысах последствий однократного 24-часового воздействия торфяного дыма.

Заключение. Однократное воздействие торфяного дыма в течение 24 ч при концентрации РМ_2,5 = 0,92 ± 0,08 и CO = 40,8 ± 1,9 мг/м³ сопровождается значительными морфофункциональными изменениями ЦНС у белых крыс. Торфяной дым при отсутствии гонадотоксического действия на самцов перед спариванием вызывает специфические изменения в поведении и биоэлектрической активности мозга их потомства.

Соблюдение этических стандартов. Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФГБНУ ВСИМЭИ (протокол № 32/19 от 10.09.2019 г.), проведено в соответствии с Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях (ETS N 123), директивой Европейского парламента и Совета Европейского союза 2010/63/EC от 22.09.2010 г. о защите животных, использующихся для научных целей.

Участие авторов:
Вокина В.А. — концепция, поиск литературы, проведение эксперимента, написание, статистическая обработка, оформление статьи;
Соседова Л.М. — концепция, поиск литературы, написание, оформление статьи, ответственность за целостность всех частей статьи;
Новиков М.А. — поиск и перевод литературных источников, проведение эксперимента;
Андреева Е.С. — обоснование актуальности, поиск литературы, проведение эксперимента, обработка результатов; Титов Е.А. — морфометрическая обработка результатов;
Рукавишников В.С. — руководство, аналитическая работа, обсуждение актуальности и результатов;
Савченков М.Ф. — обсуждение актуальности и результатов.
Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Работа выполнялась по плану НИР в рамках государственного задания, а также в рамках гранта № 075-15-2020-787 Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на выполнение крупного научного проекта по приоритетным направлениям научно-технологического развития (проект «Фундаментальные основы, методы и технологии цифрового мониторинга и прогнозирования экологической обстановки Байкальской природной территории»).

Поступила: 11.04.2023 / Принята к печати: 07.06.2023 / Опубликована: 30.08.2023

1. Hoscilo A., Page S.E., Tansey K.J., Rieley J.O. Effect of repeated fires on land cover change on peatland in southern Central Kalimantan, Indonesia, 1973 to 2005. Int. J. Wildland Fire. 2011; 20(4): 578–88. https://doi.org/10.1071/WF10029

2. Flores B.M., Piedade M.T.F., Nelson B.W. Fire disturbance in Amazonian blackwater floodplain forests. Plant Ecol. Divers. 2014; 7(1–2): 319–27. https://doi.org/10.1080/17550874.2012.716086

3. Davies G.M., Kettridge N., Stoof C.R., Gray A., Ascoli D., Fernandes P.M., et al. The role of fire in UK peatland and moorland management: the need for informed, unbiased debate. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2016; 371(1696): 20150342. https://doi.org/10.1098/rstb.2015.0342

4. Kim Y.H., Tong H., Daniels M., Boykin E., Krantz Q.T., McGee J., et al. Cardiopulmonary toxicity of peat wildfire particulate matter and the predictive utility of precision cut lung slices. Part. Fibre Toxicol. 2014; 11: 29. https://doi.org/10.1186/1743-8977-11-29

5. Lelieveld J., Evans J.S., Fnais M., Giannadaki D., Pozzer A. The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale. Nature. 2015; 525(7569): 367–71. https://doi.org/10.1038/nature15371

6. Reid C.E., Brauer M., Johnston F.H., Jerrett M., Balmes J.R., Elliott C.T. Critical review of health impacts of wildfire smoke exposure. Environ. Health Perspect. 2016; 124(9): 1334–43. https://doi.org/10.1289/ehp.1409277

7. Sun X., Luo X., Zhao C., Zhang B., Tao J., Yang Z., et al. The associations between birth weight and exposure to fine particulate matter (PM2.5) and its chemical constituents during pregnancy: A meta-analysis. Environ. Pollut. 2016; 211: 38–47. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2015.12.022

8. Abdo M., Ward I., O’Dell K., Ford B., Pierce J.R., Fischer E.V., et al. Impact of wildfire smoke on adverse pregnancy outcomes in Colorado, 2007–2015. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2019; 16(19): 3720. https://doi.org/10.3390/ijerph16193720

9. Sosedova L.M., Vokina V.A., Novikov M.A., Rukavishnikov V.S., Andreeva E.S., Zhurba O.M., et al. Paternal biomass smoke exposure in rats produces behavioral and cognitive alterations in the offspring. Toxics. 2021; 9(1): 3. https://doi.org/10.3390/toxics9010003 https://elibrary.ru/jplkzo

10. Swiston J.R., Davidson W., Attridge S., Li G.T., Brauer M., van Eeden S.F. Wood smoke exposure induces a pulmonary and systemic inflammatory response in firefighters. Euro. Respir. J. 2008; 32(1): 129–38. https://doi.org/10.1183/09031936.00097707

11. Adetona O., Dunn K., Hall D.B., Achtemeier G., Stock A., Naeher L.P. Personal PM2.5 exposure among wildland firefighters working at prescribed forest burns in Southeastern United States. J. Occup. Environ. Hygiene. 2011; 8(8): 503–11. https://doi.org/10.1080/15459624.2011.595257

12. Kulikov A.V., Tikhonova M.A., Kulikov V.A. Automated measurement of special preference in the open field test with transmitted lighting. J. Neurosci. Methods. 2008; 170(2): 345–51. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2008.01.024.

13. Kim Y.H., Warren S.H., Krantz Q.T., King C., Jaskot R., Preston W.T., et al. Mutagenicity and lung toxicity of smoldering vs. flaming emissions from various biomass fuels: implications for health effects from wildland fires. Environ. Health Perspectives. 2018; 126(1): 017011. https://doi.org/10.1289/ehp2200

14. Martin B.L., Thompson L.C., Kim Y.H., King C, Snow S., Schladweiler M., et al. Peat smoke inhalation alters blood pressure, baroreflex sensitivity, and cardiac arrhythmia risk in rats. J. Toxicol. Environ. Health. 2020; 83(23-24): 748–63. https://doi.org/10.1080/15287394.2020.1826375

15. Свидерская Н.Е. Синхронная электрическая активность мозга. М.: Наука; 1987.

16. Desmedt J.D., Tomberg C. Transient phase-locking of 40 Hz oscillation in prefrontal and parietal human cortax reflects the process of conscious somatic perception. Neurosci. Letters. 1994; 168(1–2): 126–9. https://doi.org/10.1016/0304-3940(94)90432-4

17. Cheng G.L., Zeng H., Leung M.K., Zhang H.J., Lau B.W., Liu Y.P., et al. Heroin abuse accelerates biological aging: a novel insight from telomerase and brain imaging interaction. Transl. Psychiatry. 2013; 3(5): e260. https://doi.org/10.1038/tp.2013.36

18. Heßelbach K., Kim G.J., Flemming S., Häupl T., Bonin M., Dornhof R., et al. Disease relevant modifications of the methylome and transcriptome by particulate matter (PM2.5) from biomass combustion. Epigenetics. 2017; 12(9): 779–92. https://doi.org/10.1080/15592294.2017.1356555

19. Schuller A., Bellini C., Jenkins T.G., Eden M., Matz J., Oakes J., et al. Simulated wildfire smoke significantly alters sperm DNA methylation patterns in a murine model. Toxics. 2021; 9(9): 199. https://doi.org/10.3390/toxics9090199

20. Gosalvez J., Lopez-Fernandez C., Hermoso A., Fernández J.L., Kjelland M.E. Sperm DNA fragmentation in zebrafish (Danio rerio) and its impact on fertility and embryo viability – implications for fisheries and aquaculture. Aquaculture. 2014; 433: 173–82. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2014.05.036

21. Горбатова Д.М., Жанатаев А.К., Немова Е.П., Дурнев А.Д. Повреждения ДНК в клетках плацент и эмбрионов крыс, подвергнутых воздействию торфяного дыма; антигенотоксический эффект афобазола. Экологическая генетика. 2016; 14(2): 50–6. https://doi.org/10.17816/ecogen14250-56 https://elibrary.ru/wfrwdp

22. Ивашова Д.М., Литвинова С.А., Воронина Т.А., Цорин И.Б. Эффекты пренатального воздействия торфяного дыма на эмоциональное поведение потомства крыс и коррекция их фабомотизолом. Медицинский академический журнал. 2021; 21(1): 47–58. https://doi.org/10.17816/MAJ60528 https://elibrary.ru/tkmcun