Анализ токсичности природных вод методом биотестирования

Анализ токсичности природных вод методом биотестирования (На примере Нижневартовского района) Толкачева Виктория Викторовна

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ‘, MOUSEOFF, FGCOLOR, ‘#FFFFCC’,BGCOLOR, ‘#393939’);» onMouseOut=»return nd();»> Диссертация — 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат — бесплатно , доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

Толкачева Виктория Викторовна. Анализ токсичности природных вод методом биотестирования (На примере Нижневартовского района) : Дис. . канд. биол. наук : 03.00.16 : Омск, 2004 137 c. РГБ ОД, 61:05-3/405

Глава 1. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОДХОДЫ К КОНТРОЛЮ УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ

1.1. Основные группы веществ загрязняющих водоемы и их влияние на водные экосистемы

1.2. Определение токсичности воды биотестированием 13

1.3. Живые организмы различных систематических групп,используемые в качестве аналитических индикаторов

1.4. Комбинированное дейстшеэгагоксикангов .Нормирование качества природной среды 29

Глава 2. МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 3 5

2.1. Физико-географическая характеристика района исследования 3 6

2.2. Методы биотестирования с использованием гидробионтов 41

2.2.1. Биотестирование с использованием Daphnia magna 41

2.22. Биотестирование с использованием Chlorella vulgaris 46

2.3. Приготовление бинарных растворов веществ 50

2.4. Статистическая обработка результатов экспериментов 51

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 54

3.1. Сезонная динамика хронической токсичности природных вод 54

3.2. Зависимость токсичности природных вод от их химического состава

3.3. Исследование токсичности нефти для Daphnia magna и Chlorella vulgaris под влиянием разных температур

3.4. Изучение приспособлений тест-объектов к токсикантам 76

3.4.1. Приспособления Daphnia magna в хронических экспериментах на четырех последующих поколениях

3.4.2. Приспособления Daphnia magna в растворах с хроническими летальными концентрациями нефти

3.4.3. Изучение приспособлений Chlorella vulgaris в растворах схроническими летальными концентрациями нефти

3.5. Определение комбинированного взаимодействия веществ методом биотестирования

Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ 90

Актуальность работы. Фактические масштабы химического антропогенного пресса на окружающую среду давно переросли контролирующие возможности традиционного санитарно-гигиенического нормирования. Для осуществления контроля за загрязнением природных вод, необходимо надёжно определять несколько десятков ионов, веществ, классов соединений

Природные воды являются весьма специфической средой, в которой состояние токсикантов и проявление их химических свойств и биологической активности существенно отличается от более простых экспериментальных моделей, на которых обычно проводятся лабораторные исследования их химических, биологических, токсических и других свойств. Нормальная жизнедеятельность гидробионтов, а, следовательно, и уровень их устойчивости к различным повреждающим агентам, в частности, к токсическим веществам, а также степень токсичности различных групп веществ в значительной степени определяются такими абиотическими факторами водной среды, как: минерализация, жесткость, рН, соотношение ионов, наличие комплексонов, содержание кислорода, температура и т.д. (Лесников, 1969; Брагинский, Щербань, 1978; Линник, 1986). Устойчивость к воздействию токсикантов у организмов в разных зонах и регионах существенно различаются, что связано, прежде всего, с климатическими особенностями, гидрохимическим режимом, способностью к самоочищению (Хоружая, 2002).

Биотестирование, как правило, проводиться в стандартных, оптимальных для тест-объектов условиях, в частности при биотестировании, редко принимается во внимание температурный фактор, существенно влияющий на результаты биотестов (Брагинский, 1981). Так же не учитывается характер взаимодействия, так называемых, фоновых приоритетных загрязнителей. В условиях постоянной опасности возникновения техногенных катастроф важное значение имеет прогнозирование эффектов комбинированного действия.

Нефтегазовая промышленность является основным источником загрязнения природных ресурсов в Нижневартовском районе Тюменской области. В исследуемом районе основное внимание уделяется охране и мониторингу речных систем, озера также являются основной составной частью гидрографической сети этого региона.

Нижневартовским филиалом Федерального Государственного Управления «Специализированной инспекции аналитического контроля по Ханты-Мансийскому Автономному округу» (ФГУ «СИАК по ХМАО»), проводятся наблюдения за качеством поверхностных вод на территории района в 7 створах, 2 водотоках по 26 ингредиентам. Нижневартовская Специализированная инспекция Государственного контроля контролирует водотоки, протекающие на территории нефтегазовых месторождений, всего контролируется 253 створа, установленные выше и ниже границ очагов возможного загрязнения, однако на озерах расположенных, на территории месторождений подобный контроль не осуществляется. Мониторинг химического и токсикологического состояния озерных вод проводится не систематически (Состояние окружающей. 2003).

Озеро Самотлор является примером водного объекта подвергающегося значительной антропогенной нагрузке в связи с развитием нефтедобывающей промышленности. В пресных водах Самотлорского месторождения на глубине 180-200 м обнаружено присутствие нефтепродуктов, что может повлиять на качество воды подземного водозабора г. Нижневартовска (Труды NDI, 1997).

В исследуемом регионе природный фон концентраций ряда химических веществ, весьма высок и превышает ПДК в несколько раз. Превышение ПДК в течение года отмечается по следующим показателям: нефтепродукты, аммоний, медь, железо, фенолы. Для таких веществ как нефтепродукты, железо, медь характерен не только антропогенный путь поступления в окружающую среду, но и естественная циркуляция в водах района исследования (Состояние окружающей. 2001). Экологические нормативы — ПДК — не могут быть едиными для всех типов экосистем и для разных климатографических условий (Хоружая, 2002).

Цели и задачи исследования. Целью работы является исследования токсичности природных вод Нижневартовского района, для чего были поставлены следующие задачи: установить сезонную динамику токсичности природных вод района исследования; оценить взаимосвязь токсичности природных озерных вод с их химическим составом с использованием метода корреляционного анализа; установить степень токсичности нефти в температурных границах приближенных к среднегодовым температурам района исследования; выявить время наступления адаптационных приспособлений гидробионтов к токсикантам; определить характер комбинированного взаимодействия между фоновыми приоритетными загрязнителями. Научная новизна. Впервые проведено исследование сезонной динамики токсичности природных вод, определены фоновые приоритетные загрязнители, а так же корреляционная зависимость токсичности природных вод с химическим составом, выявлен характер комбинированного взаимодействия между фоновыми приоритетными загрязнителями. Определена токсикорезистентность тест-объектов к важнейшему загрязнителю — нефти, в температурных границах, близких к среднегодовым температурам района исследования. Установлено время включения адаптивных механизмов у тест-объектов.

Теоретическое и практическое значение работы. Полученные данные можно учитывать при проведении гидробиологических, рыбохозяйственных, санитарно-гигиенических исследованиях при нормировании качества природной среды с учетом климатических условий. Результаты работы также могут быть использованы для анализа и прогноза последствий поступления в водный объект токсиканта в результате нештатных или аварийных ситуаций. Защищаемые положения. Относительно низкая токсичность природных вод объясняется характером взаимодействия между фоновыми приоритетными загрязнителями, низкими температурами в течение года, включением адаптационных механизмов у гидробионтов.

Апробация работы. Материалы и основные результаты работы были представлены на III Окружной научно-практической конференции «Региональная экология в системе дополнительного образования школьников (г. Нижневартовск, 2004г.); Международной конференции «Александр фон Гумбольдт и проблемы устойчивого развития Урало-Сибирского региона», посвященную 175-летию путешествия А.Ф. Гумбольдта в России (Тюмень, Тобольск, 2004г.); II Международной научно-практической конференции «Эколого-географические проблемы природопользования нефтегазовых регионов: Теория, методы, практика» (г. Нижневартовск, 22 -24 октября 2003г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура диссертации. Диссертация изложена на 113 страницах машинописного текста, включая 17 таблиц, 23 рисунков и 9 приложений, состоит из 4 глав. В приложение вынесены таблицы с результатами гидрохимических анализов, среднегодовыми климатическими данными, результатами анализов динамики плодовитости дафний в ряду поколений, результатами токсичности проб воды. Список литературы включает 164 источника, из них 128 — на русском, 36 — на иностранных языках.

Биотестирование, как интегральный метод оценки токсичности водной среды, является необходимым дополнением к химическому анализу (Туманов, Постнов, 1983). Биотестирование включено в стандарты по контролю качества вод различного назначения (Методическое руководство. 1991).

Токсикант — фактор, работающий на энтропию, фактор разрушения живого. В экологической системе нарастает противодействие, стремящееся устранить энтропический фактор, и это создает ее особое свойство- буферность (Камшилов, 1973; 1979). Экосистема поглощает и перерабатывает токсикант в определенных пределах. Лишь когда этот потенциал сопротивления исчерпан, начинается собственно токсическое действие.

Характеристика и качество выполнения биологического тестирования напрямую зависят от выбора трёх показателей:

2) условий проведения испытаний;

3) регистрируемых показателей.

Основной принцип практического лабораторного биотестирования природных и сточных вод, реализуемый в развитых странах, — применение одновременно 3-4 методов с тест-организмами, представляющими разные трофические группы: водоросли и высшие растения — первичные продукты, дающие начало большинству пищевых цепей в водоеме; рачки, один из основных фильтраторов и седиментаторов в пресных водоемах. Как тест-организмы используют также в экспресс и хронических опытах моллюсков, рыб речных и акваториальных (Строганов, 1971; Мерц, 1994).

В России при осуществлении государственного экотоксикологического контроля допускается использование только тех методик биотестирования, которые внесены в Госреестр или, пока они не внесены в Госреестр, приведены в РД 118-02-90 (Методическое руководство. 1991).

Цель биотестирования водной среды — выявление на гидробионтах степени и характера токсичности воды, загрязненной биологически опасными веществами и оценка возможной опасности этой воды, для водных и других организмов (Строганов и др., 1983). Главные достоинства биотестирования — простота и доступность приемов ее постановки, высокая чувствительность тест-организмов к минимальным концентрациям токсических агентов, быстрота, отсутствие надобности в дорогостоящих реактивах и оборудовании. По мнению ряда авторов ни один из отдельно взятых организмов не может служить универсальным тест-объектом, чувствительным к веществам различной химической природы, следовательно для гарантированного выявления в среде токсического агента должен использоваться набор биотестов, представляющих организмы различных таксономических групп (Брагинский и др. 1979; Лесников, 1983; Филенко, 1989).

Классическим объектом в качестве аналитического индикатора среди ветвистоусых рачков стала Daphnia magna Straus. Она, как тест-объект входит в большинство национальных и международных стандартов исследования качества воды (Frear, Boyd, 1967; Baldwin et al., 1995). Для определения в воде неорганических ионов дафний используют с 40-50 годов.

Для тестирования вод природных водоемов главное требование -чувствительность тест-объектов к тем микроколичествам токсиканов, характерных для естественных вод (Брагинский и др., 1979; Макрушин, 1988; Щербань, 1992; Волков, Заличева, 1993), в отличие от возвратных вод, где основное — оперативность теста. Исходя из того, что чувствительность к присутствию отдельных веществ у видов разной систематической принадлежности и трофического статуса не одинакова, при биотестировании используются реакции разного уровня: структурные (динамика численности, поведенческие и т.д.), функциональные (темп размножения и т.д.) (Лесников, 1969; Строганов, 1981; Филенко, Исакова, 1981; Щербань, 1992). Выбор стандартных условий проведения испытаний также немаловажен, как и выбор тест-обьектов. При постановке опыта следует обязательно установить и учесть действующие факторы и диапазоны их изменения. К числу таких факторов следует отнести, в первую очередь, концентрацию токсиканта, продолжительность экспозиции тест-организмов в токсической среде и температуру воды, т.е. факторы, присутствующие в каждом эксперименте и практически неустранимые (Брагинский, Щербань, 1986).

При выборе длительности опытов необходимо учитывать биологию тест-обьектов, характер действия исследуемого вещества, цель и задачи биотестирования. Наиболее часто используемые тесты по критериям выживаемости и плодовитости. Популяционный смысл критерия выживаемости: любая популяция неоднородна в отношении чувствительности к токсиканту, в ней есть особи резистентные и толерантные, и токсикант в плане дальнейшей судьбы популяции действует как фактор отбора. Одним из главных критериев благополучия, с точки зрения популяции, является соотношение между рождаемостью и смертностью. Учесть его в естественных условиях очень трудно, но оно отчетливо может быть охарактеризовано в опытах на синхронизированной тест-культуре беспозвоночных животных с коротким жизненным циклом. Отрезок времени наблюдения за ответной реакцией организма выбирается с учетом цели анализа (хронический эксперимент может продолжаться 40 -50 суток).

Род дафний включает около 50 видов, среди которых наиболее обычны Daphnia magna, D. pulex, D. longispina, D. carinata.. Самый крупный вид — Daphnia magna Straus (отряд Cladocera, класс Crustacea). Это организмы, относящиеся к группе фильтратов и живущие преимущественно в толще воды. Обитают в стоячих и слабопроточных водоемах, на территории России распространены повсеместно. Они играют большую роль в процессах самоочищения водоемов от взвешенных в воде веществ, при этом на них могут оказывать значительное действие растворимые, мелкодисперсные взвешенные компоненты сточных вод.

Короткий биологический цикл развития позволяет проследить рост и развитие на всех жизненных стадиях. В течение жизни выделяют ряд стадий, сопровождающихся линьками: первые 3 — ювенильные, следуют через 20-24-36 часов, четвертая — созревание яиц в яичнике и пятая — откладка яиц в выводковую камеру следуют с интервалом 1-1,5 суток. Начиная с шестой стадии, каждая линька сопровождается откладкой яиц. Период созревания рачков при температуре 20 ±2С и хорошем питании -5-8 дней. Длительность эмбрионального развития обычно 3-4 дня, а при повышении температуры до 25С — 48 часов. Партеногенетические поколения следуют друг за другом каждые 3-4 дня. Вначале число яиц в кладке 10-15, затем может возрастать до 30-40, формирование яиц прекращается за 2-3 дня до смерти. В природе D. magna живут в среднем 20-25 дней, в лаборатории при оптимальных условиях 3-4 месяца и более. При температуре свыше 25С продолжительность жизни может сократиться до 25 дней. Размеры взрослых самок достигают 6 мм в длину, молодых 0,7 — 0,9 мм.

Строение Daphnia magna Straus: а — самка: 1 -антенна, 2 — сложный глаз, 3 — антеннула, 4 — грудные ножки, 5 — яичник, 6 — створки панциря, 7 -каудальные когти, 8 — постабдомен, 9 — хвостовые щетинки, 10 — выводковая камера, 11 — сердце, 12 — кишечник, 13 -печёночные выросты; б- самец; в — внешний вид эфиппиума.

С помощью грудных ножек D. magna отфильтровывает мелкие взвешенные в воде частицы. Даже кратковременные отклонения от нормальных условий жизни (изменение температуры, уменьшение количества пищи, загрязнение) могут прервать процесс партеногенеза, и тогда из неоплодотворенных яиц выходят не самки, а самцы (рис. 1, б). Они имеют небольшие размеры, их передние антенны удлинены, а первая пара грудных ножек снабжена коготками. Часть яиц в половой системе самки подвергается редукционному делению и способна развиваться только после оплодотворения. Оплодотворенные яйца содержат большое количество желтка, в выводковой камере они окружаются плотным слоем клеток, поверх которых образуется кутикула.

В выводковой камере возникает так называемое сёдльппко-эфиппиум (рис. 1, в), который после линьки оказывается на свободе и благодаря воздухоносному слою плавает на поверхности. На этой стадии яйцо переносит неблагоприятные условия (Ивлева, 1969).

Культивирование дафний в лабораторных условиях

В биотестировании воды по критериям выживаемости использовали культуру Daphnia magna полученную из природного водоема района исследования, для этого с помощью гидробиологического сачка отлавливали D. magna и помещали в стеклянные емкости, которые заполняли под пробку водой из этого же водоема. Одновременно отбирали 5-10 л воды для последующей посадки дафний. Лабораторные исследования на поколениях тест-объектов, для выяснения времени включения адаптивных механизмов, проводили на лабораторной культуре, что позволило исключить наличие генотипических адаптации тест-объектов к токсикантам.

D. magna, отловленных в природном водоеме, рассаживали в стеклянные кристаллизаторы 2-5л. при плотности посадки не более 25 особей на 1 литр воды, переносили дафний с помощью стеклянной трубки с внутренним диаметром 0,5-0,8 см. с оплавленным концом. Спустя 5-7 суток, в течение которых D. magna привыкали к лабораторным условиям существования и начинали размножаться, в сосуды доливали воду для дальнейшего культивирования. Для исследований токсичности воды по критериям выживаемости и плодовитости поддерживалась оптимальная температура 20 ± 2С, продолжительность светового дня 12-14 ч.

Биотестирование водной среды проводили на синхронизированной культуре D. magna. Для получения синхронизированной культуры отбиралась одна самка средних размеров с вьгоодковой камерой, заполненной эмбрионами, и помещалась в химический стакан на 250 см3, наполовину заполненный культивационной средой. Появившуюся молодь переносили в кристаллизатор (25 особей на I дм3 среды) и культивировали указанным способом. Полученная следующая генерация является синхронизированной культурой и может быть использована для биотестирования в возрасте 6-24 часа. Синхронизированную культуру Ceriodaphnia affinus брали в специализированной инспекции государственного контроля г. Нижневартовска Ханты-Мансийского округа.

Хронические эксперименты на поколениях рачков дают возможность рассматривать адаптивные изменения, как фенотипические, возникающие в результате прямого действия среды на организм, так и генотипические, передающиеся по наследству.

Для установления различий в уровне плодовитости в поколениях используется функцию ТЕСТ программы Excel из пакета Microsoft Office. В качестве первой выборки использовали данные, полученные в контрольной группе за первую неделю наблюдения за организмами. Вычисляли суммарное число потомков от каждой из десяти особей. В качестве второй выборки использовали данные из опытной группы, полученные аналогичным образом. Средняя плодовитость определялась в пересчете на одну партеногенетическую самку. Результаты расчетов представлены в таблицах 9-12.

В контрольных группах различия в плодовитости статистически незначимы на уровне 5% (Р 0,05). Считаем, что уровень не зависит от поколения. В опытных группах в большинстве случаев различия в плодовитости статистически значимы на уровне 5%. По нашему мнению это означает, что в ряду поколений идут адаптивные процессы, связанные с влиянием среды. Во всех случаях различия между плодовитостью во втором и третьем поколениях статистически значимы на уровне 5% (Р 0,05). Что позволяет сделать предположение о включении адаптивных процессов уже во втором поколении и продолжении процессов в третьем и четвертом. Качественный анализ динамики плодовитости проводили с использованием данных эксперимента на четырех последующих поколениях, для чего произвели усреднение количества потомков по каждому поколению в пересчете на одну самку. Таким образом сглаживаются случайные погрешности экспериментов и выявляется динамика плодовитости в зависимости от возраста самки. Получив эти данные для контрольной и опытной групп, построили графики (рис. 19-20). Плодовитость — более изменчивый показатель во времени, чем выживаемость. Она изменяется и в течении жизни особи, в зависимости от возраста, и от поколения к поколению. Однако общая тенденция колебаний имеет определенную направленность. Кривые на рисунках показывают что, во всех исследованиях в контрольных и опытных вариантах отмечены аналогичные «кривые» плодовитости. Анализ результатов исследований проведенных в мае позволяет выявить пики и спады плодовитости тест-объектов, в зависимости от возраста самок. Первый пик плодовитости приходится на 10 — 12 дневный возраст, второй пик на 17- 19 дневный. В опытном варианте исследований проведенных в сентябре «волны» плодовитости сглажены, однако для них так же, как и для контрольных групп, характерны повышение количества молоди в кладке к середине месяца, что соответствует 15-18 дневному возрасту самки, затем плодовитость снижается и достигает минимума к концу месяца, что соответствует 25-30 дневному возрасту самки. Что может свидетельствовать об отсутствии серьезных патологий в репродуктивной функции D. magna.

источник

Анализ токсичности природных вод методом биотестирования: На примере Нижневартовского района тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат биологических наук Толкачева, Виктория Викторовна

Глава 1. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОДХОДЫ К КОНТРОЛЮ УРОВНЯ 8 ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ

1.1. Основные группы веществ загрязняющих водоемы и их влияние на 8 водные экосистемы

1.2. Определение токсичности воды биотестированием

1.3. Живые организмы различных систематических групп, 18 используемые в качестве аналитических индикаторов

1.4. Комбинированноедейсгвиеэмшжсикашов 24 ^.Нормирование качества природной среды

Глава 2. МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Физико-географическая характеристика района исследования

2.2. Методы биотестирования с использованием шдробионтов 41 2.2.1. Биогесгирование с использованием Daphnia magna 41 2.22. Биогесгирование с использованием Chlorella vulgaris

2.3. Приготовление бинарных растворов веществ

2.4. Статистическая обработка результатов экспериментов

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Сезонная динамика хронической токсичности природных вод

3.2. Зависимость токсичности природных вод от их химического 69 состава

3.3. Исследование токсичности нефти для Daphnia magna и Chlorella 72 vulgaris под влиянием разных температур

3 А. Изучение приспособлений тест-объектов к токсикантам

3.4.1. Приспособления Daphnia magna в хронических экспериментах 76 Ш на четырех последующих поколениях

3.4.2. Приспособления Daphnia magna в растворах с хроническими 81 летальными концентрациями нефти

3.4.3. Изучение приспособлений Chlorella vulgaris в растворах с 82 хроническими летальными концентрациями нефти

3.5. Определение комбинированного взаимодействия веществ 84 методом биотестирования

Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Сравнительная токсикорезистентность Epischura baicalensis и Daphnia magna в присутствии и отсутствии пищи 2000 год, кандидат биологических наук Бархатова, Оксана Анатольевна

Экологические исследования объектов природной среды в районах нефтедобычи с применением биотестирования 2006 год, кандидат биологических наук Захариков, Евгений Сергеевич

Эколого-биологические основы жизнедеятельности коловраток в норме и в условиях антропогенной нагрузки 2000 год, доктор биологических наук Бакаева, Елена Николаевна

Экотоксикологическая оценка донных отложений загрязняемых водных объектов 2007 год, кандидат биологических наук Медянкина, Мария Владимировна

Взаимосвязь химического состава промышленных возвратных вод и их токсичности для гидробионтов: На примере г. Нижнего Новгорода 2000 год, кандидат биологических наук Безрукова, Наталья Вячеславовна

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ токсичности природных вод методом биотестирования: На примере Нижневартовского района»

В исследуемом регионе природный фон концентраций ряда химических веществ, весьма высок и превышает ПДК в несколько раз. Превышение ПДК в течение года отмечается по следующим показателям: нефтепродукты, аммоний, медь, железо, фенолы. Для таких веществ как нефтепродукты, железо, медь характерен не только антропогенный путь поступления в окружающую среду, но и естественная циркуляция в водах района исследования (Состояние окружающей., 2001). Экологические нормативы — ПДК — не могут быть едиными для всех типов экосистем и для разных климатографических условий

Научная новизна. Впервые проведено исследование сезонной динамики токсичности природных вод, определены фоновые приоритетные загрязнители, а так же корреляционная зависимость токсичности природных вод с химическим составом, выявлен характер комбинированного взаимодействия между фоновыми приоритетными загрязнителями. Определена токсикорезистентность тест-объектов к важнейшему загрязнителю — нефти, в температурных границах, близких к среднегодовым температурам района исследования. Установлено время включения адаптивных механизмов у тест-объектов.

Защищаемые положения. Относительно низкая токсичность природных вод объясняется характером взаимодействия между фоновыми приоритетными загрязнителями, низкими температурами в течение года, включением адаптационных механизмов у гидробионтов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

источник

Методы биотестирования на различных группах организмов для оценки качества природных и сточных вод. Оценка результатов опыта по определению устойчивости культуры к бихромату калия. Оценка токсичности воды с использованием экспресс-биотеста на коловратках.

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы биотестирования природных и сточных вод

1. Основные принципы методов биотестирования и критерии токсичности вод

Биотестирование (биологическое тестирование) — оценка качества объектов окружающей среды (воды и пр.) по ответным реакциям живых организмов, являющихся тест-объектами.

Это широко распространенный экспериментальный методический прием, который представляет собой токсикологический эксперимент. Суть эксперимента заключается в том, что тест-объекты помещают в исследуемую среду и выдерживают (экспонируют) определенное время, в течении которого регистрируют реакции тест-объектов на воздействие этой среды.

Приемы биотестирования широко применяются в различных областях природоохранной деятельности и используются по различным назначениям. Биотестирование является основным методом при разработке нормативов ПДК химических веществ (биотестирование токсичности индивидуальных химических веществ), и, в конечном итоге, при оценке из опасности для окружающей среды и здоровья населения. Таким образом, оценка уровня загрязнения по результатам химического анализа, т.е. интерпретация результатов с точки зрения опасности для окружающей среды, также в значительной степени опирается на данные биотестирования.

Методы биотестирования, будучи биологическими по сути, близки по смыслу получаемых данных к методам химического анализа вод: как и химические методы, они отражают характеристику воздействия на водные биоценозы.

Требования, применяемые к методикам биотестирования:

— чувствительность тест-организмов к достаточно малым концентрациям загрязняющих веществ.

— отсутствие инверсии ответных реакций тест-организмов на разные значения концентрации загрязняющих веществ в пределах тех значений, кот-е отмечены в природных водах;

— возможность получать надежные результаты, метрологическая обеспеченность методик;

— доступность тест-организмов для сбора, простота культивирования и содержания в условиях лаборатории;

— простота выполнения процедуры и технических приемов биотеста;

— низкая себестоимость работ по биотестированию.

Развиваются два основных направления работ по биотестированию:

— подбор методик с использованием гидробионтов, охватывающих основные иерархические структуры водной экосистемы и звенья трофической цепи;

— поиск наиболее чувствительных тест-организмов, которые позволили бы уловить низкий уровень токсичности при обеспеченной гарантии надежности информации.

Для токсикологической оценки загрязнения пресноводных экосистем на основе биотестирования водной среды рекомендовано использовать несколько видов тест-объектов: водоросли, дафнии, цериодафний, бактерии, простейшие, коловратки, рыбы.

Водоросли — основа пищевых цепей во всех природных экосистемах. Наиболее чувствительные организмы к широкой гамме химических веществ от детергентов до НФПР. Отмирание клеток, нарушение скорости роста, изменение процессов фотосинтеза и др. метаболич. процессов. Chlorella vulgaris, Scenedesmus quadricauda, Anabaena, Microcystis, Oscillatoria, Phormidium.

Бактерии — изменение скорости разложения (биодеградации) органических соединений/ Nitrosomonas, Nitrosobacter; изменение метаболических процессов в организме — Escherichia coli (оценка влияния токсиканта на сбраживание глюкозы)

Простейшие. Дафнии. ДДТ, (ГХЦГ)гексахлорциклогексан, ТЯЖЕЛЫЕ металлы (медь-цинк-кадмий-хром), биогенные элементы. Daphnia magna.

Рыбы. Гуппи (Poecillia reticulata) — металлы, пестициды; данио (Brachidanio rerio).

Рыбы природных вод. Высокочувствительные: — лососевые (форель), шиповка, пескарь, плотва, голец, судак, верховка; среднечувствительные: окунь, красноперка, лещь, гольян, карп, уклея.

О наличии токсичности судят по проявлениям негативных эффектов у тест-объектов, которые считаются показателями токсичности.

Среди показателей токсичности выделяют: общебиологические, физиологические, биохимические, химические, биофизические, и т.д.

Показателем токсичности является тест-реакция, изменения которой регистрируют в ходе токсикологического эксперимента.

Следует заметить, что под токсикологическими (биотестовыми) показателями в экологической и водной токсикологии понимают показатели биотестирования на различных тест-объектах. В тоже время в санитарно-гигиеническом нормировании под токсикологическими показателями понимают концентрации токсичных химических веществ (например, в нормировании питьевой воды они характеризуют ее безвредность).

При биотестировании проб природной воды обычно ставят два вопроса: — токсична ли проба природной воды; — какова степень токсичности, если таковая имеется?

В результате биотестирования проб на основе регистрации показателей токсичности делают оценку токсичности по критериям, установленным для каждого биообъекта. Результаты биотестирования опытной пробы с исследуемого участка сравнивают с контрольной, заведомо нетоксичной пробой и по разнице в контроле и опыте судят о наличии токсичности.

При этом эффекты воздействия делят на острые и хронические. Их обозначают как острое и хроническое токсическое действие или как острую и хроническую токсичность (ОТД и ХТД). Эти термины и используют для выражения результатов биотестирования.

Острое токсическое действие — воздействие, вызывающее быструю ответную реакцию тест-объекта. Его чаще всего измеряют по тест-реакции «выживаемость» за относительно короткий период времени.

Хроническое токсическое действие — воздействие, вызывающее ответную реакцию тест-объекта, проявляющуюся в течение относительно долгого периода времени. Измеряют по тест-реакциям: выживаемость, плодовитость, изменение роста и т.п.

Реакция тест-объектов на токсическое воздействие зависит от интенсивности или продолжительности воздействия. По результатам биотестирования находят количественную зависимость между величиной воздействия и реакцией тест-объектов.

Реакция организмов на воздействие токсических химических веществ представляет собой комплекс взаимосвязанных эволюционно сформировавшихся реакций, направленных на сохранение постоянства внутренней среды организма и в конечном итоге на выживание.

Выявлены определенные закономерности реакций организмов на токсические воздействия. В общем виде воздействие токсического вещества на организм описывается двумя основными параметрами: концентрацией и временем воздействия (экспозицией). Именно эти параметры определяют степень влияния токсичного вещества на организм.

Экспозиция — период, в течение которого организм находится под воздействием исследуемого фактора, в частности химического вещества. В зависимости от экспозиции различают острое или хроническое токсическое воздействие.

Результат токсического воздействия обычно называют эффектом токсического воздействия. Для описания зависимости между эффектом воздействия токсического вещества на организм и его концентрацией предложены различные функции, например, формула Хабера:

Где Е — эффект (результат) воздействия;

С — концентрация воздействующего вещества;

Т — время воздействия (экспозиция).

Е — представляет собой любой результат воздействия (гибель тест-объектов), а величины С и Т — могут быть выражены в соответствующих единицах измерения.

Как видно из формулы Хабера, между эффектом временем воздействия концентрацией имеется прямая функциональная связь: эффект будет тем большим, чем больше величина воздействия (конц-ция вещ-ва) и/или его продолжительность.

Формула Хабера позволяет сравнивать биологические эффекты различных химических веществ с помощью анализа их конц-ции или экспозиции. Отличия по какому-либо из этих величин отражают отличия в чувствительности организмов к токсическому воздействию.

При малых конц-циях или экспозициях эффект воздействия проявляется в популяции у небольшого числа тест-объектов, которые оказываются наиболее чувствительными, т.е. наименее устойчивыми к воздействию. По мере увеличения концентрации или экспозиции число устойчивых организмов падает, и в конце концов у всех (или почти у всех) организмов удается зарегистрировать четко выраженные эффекты токсического воздействия. В ходе токсикологического эксперимента находят зависимость отклика тест-объектов от величины или времени воздействия.

Параметры токсичности химического воздействия:

— Летальная концентрация (ЛК50) — концентрация токсиканта, вызывающая гибель 50% тест-организмов за определенное время (чем ниже ЛК50, тем выше токсичность химического вещества или воды)

— Максимальная недействующая концентрация — наивысшая измеренная концентрация химического вещества (тестируемой воды), не вызывающая наблюдаемого химического воздействия (чем ниже МНК, тем выше токсичность хим. вещ-ва или сточной воды).

Не все организмы одинаково реагируют на одно и то же воздействие. Реакция зависит от чувствительности к возд-вию.

Чувствительность организма к токсичному веществу — это совокупность реакций на его воздействие, характеризующих степень и скорость реагирования организма. Характеризуется такими показателями, как время начала проявления отклика (реакции) или конц-ция токсического вещ-ва, при которой проявляется реакция; она существенно отличается не только у разных видов, но и у разных особей одного вида.

Согласно ряду чувствительности, разработанному С.А. Патиным (1988), тест объекты можно расположить следующм образом:

Существуют и другие ряды чувствительности.

Например, при биотестировании вод целлюлозно-бумажных предприятий: водоросли-бактерии-рыбы (по уменьшению чувствительности).

Факторы, влияющие на биотестирование:

— факторы, влияющие на тест-организмы (экспозиция; условия культивирования, в природе — условия жизни растений и животных; возрастные особенности, сезон года, обеспечение тест-организмов пищей, температура (пессимум и оптимум), освещенность);

— факторы, определяющие физико-химические свойства тестируемой природной воды, от которых зависит ее токсичность для тест-организмов (свежесть пробы, наличие в ней взвешенных частиц).

2. Методы биотестирования на различных группах организмов для оценки качества природных и сточных вод

Рассмотрим основные методики определения острого токсического действия вод при кратковременном биотестировании на ракообразных, водорослях и инфузориях; метод определения хронического токсического действия вод на водорослях.

Способы обработки и оценки результатов биотестирования основаны на стандартных и широко используемых в отечественной и международной практике методах статистической обработки экспериментальных данных.

Прежде чем проводить эксперименты по биотестированию, нужно вырастить культуру тест-организмов.

Последовательно далее рассмотрим особенности выращивания культур тест-организмов и проверки их пригодности для использования в биотестировании.

Биотестирование на ракообразных

Методика предназначена для определения острой токсичности природной и сточной воды, сбрасываемой в водоемы.

1. Принципы культивирования рачков Daphnia magna Straus и Ceriodaphnia affinis Lilljeborg

Период созревания Daphnia magna до вымета молоди при оптимальной температуре и хорошем питании занимает 5-10 суток. Продолжительность жизни 110-150 суток, при температурах свыше 25 °С она может сокращаться до 25 суток.

При оптимальных условиях содержания партеногенетические поколения следуют одно за другим каждые 3-4 суток. У молодых дафний число яиц в кладке 10-15, затем оно возрастает до 30-40 и более, снижаясь до 3-8 и до 0 за 2-3 суток до смерти.

Культуру дафний выращивают в термостатируемом при 18-22 °С люминостате (освещенность 400-600 люкс, продолжительность светового дня 12-14 часов). Опыты по биотестированию вод желательно проводить в том же люминостате.

Для получения исходного материала для биотестирования 30-40 самок с выводковыми камерами, полными яиц или зародышей, за 1 сутки до биотестирования пересаживают в емкости объемом 0,5-2 л. После появления молоди их отделяют от взрослых особей с помощью капроновых сит с разным диаметром пор.

Принципы культивирования цериодафний аналогичны описанным для дафний. Следует помнить, что цериодафнии более требовательны к содержанию кислорода в воде (не менее 5 мг/л), оптимальная температура культивирования 23-27°С. Период созревания рачков от рождения до момента вымета молоди короче, чем у дафний — от 4 до 5 суток.

При биотестировании важно учитывать следующие моменты:

— Молодь рачков в 4-5 раз более чувствительна к действию токсикантов, чем взрослые особи.

— Кормление рачков во время острого опыта уменьшает токсичность примерно в 4 раза.

— В мягкой воде токсичность веществ повышается. Ионы магния обычно уменьшают токсичность солей, ионы кальция — снижают токсичность.

— Присутствие комплексообразующих веществ (гуминовые кислоты, аминокислоты и т.п.) увеличивает накопление токсикантов, но снижает их токсичность.

— Дефицит кислорода в воде ускоряет накопление токсических веществ в водной среде.

— Солнечный свет увеличивает токсичность в основном за счет возрастания количества свободных радикалов.

Определение устойчивости Daphnia Magna Straus к бихромату калия

Прежде всего необходимо оценить пригодность лабораторной культуры дафний для последующего биотестирования вод. Эталонным токсикантом служит бихромат калия.

Стакан емкостью 100-250 мл (21 штука).

Пипетки мерные на 1, 10, 25 мл 2-го класса точности (по 1 штуке). Колба для разбавляющей (контрольной) воды (РВ) емкостью 3 л. Мерные колбы на 100 мл (1 шт.), на 250 мл (1 шт.), на 500 мл (2 шт.), на 1000 мл (1 шт.).

210 рачков в возрасте 4-24 часа. Разница в возрасте особей не должна превышать 4 часов.

Приготовить 100 мл 0,1% раствора К₂Сr₂О₇ (1000 мг/л).

Для этого 0,1 г просушенного К₂Сr₂О₇ растворить в 100 мл дистиллированной воды.

Расставить 21 стакан с надписями по следующей схеме:

К1 0,25 мг/л 0,5 мг/л 0,75 мг/л 1 мг/л 2 мг/л 3 мг/л

К2 0,25 мг/л 0,5 мг/л 0,75 мг/л 1 мг/л 2 мг/л 3 мг/л

КЗ 0,25 мг/л 0,5 мг/л 0,75 мг/л 1 мг/л 2 мг/л 3 мг/л

Во все стаканы с растворами посадить по 10 рачков в возрасте строго 4-24 часа. Посадку производить с помощью микропипеток со съемными пластиковыми наконечниками. Концы наконечников предварительно необходимо обрезать под величину дафнии одно-двухдневки.

Подсчет выживших рачков производят визуально через 24 часа. Во время опыта рачков не кормят. Смертность рачков в контроле не должна превышать 10%. Результаты заносят в протокол опыта.

3. Определение токсичности сточной (природной) воды на Daphnia magna

Стаканы емкостью 150-250 мл (8-16 штук).

Колба для разбавляющей (контрольной) воды емкостью 3 л.

Мерные колбы на 100 мл (1 шт.), 1 л (1 шт.).

Мерный цилиндр или мерный стакан на 150-200 мл.

От 40 до 80 рачков в возрасте 4-24 часа. Разница в возрасте особей не должна превышать 4 часов.

Расставить 16 стаканов с надписями по следующей схеме:

К1 Ст.вода б/р N 1 Ст.вода 1:10 N 5 Ст.вода 1:100 N 9

К2 Ст.вода б/р N 2 Ст.вода 1:10 N 6 Ст.вода 1:100 N 10

КЗ Ст.вода б/р N 3 Ст.вода 1:10 N 7 Ст.вода 1:100 N 11

К4 Ст.вода б/р N 4 Ст.вода 1:10 N 8 Ст.вода 1:100 N 12

Разлить по стаканам контрольную (разбавляющая вода) и испытуемую воду (ст.вода) по 150 мл на стакан:

К1-К4 — 600 мл разбавляющей воды (РВ),

Ст.вода б/р (без разбавления) — 600 мл (4 х 150 мл).

Ст.вода 1:10 — 100 мл Ст.воды б/р + 900 мл РВ = 1 л Ст.вода 1:10.

Ст.вода 1:100 — 100 мл Ст.воды 1:10 + 900 мл РВ = 1 л Ст.вода 1:100

Стаканы с растворами расставить в люминостате.

В обязательном порядке скорректировать рН проб до 6,5-8,5 с помощью растворов NaOH или НСl, если они не соответствуют указанным выше нормативам.

Насыщенность тестируемых проб кислородом также должна лежать в указанных рамках.

Во все стаканы посадить по 5 рачков в возрасте строго 4-24 часа.

Подсчет погибших рачков производят визуально через 1, 6, 24, 48, 72, 96 часов (окончание определения острой токсичности). Смертность рачков в контроле не должна превышать 10%.

Результаты заносят в протокол опыта.

Биотестирование прекращают, если в любой период времени в опыте гибнет 50% и более особей.

Если А >= 50%, то тестируемая вода (опыт) остротоксична.

где M — численность клеток водорослей, тыс.кл./мл;

m — число подсчитанных клеток;

n — число просчитанных маленьких квадратов камеры;

V — объем части камеры, соответствующей площади маленького квадрата, мл.

8. Оценка токсичности воды с использованием экспресс-биотеста на коловратках

Для определения возможного острого токсического действия исследуемой воды проводим эксспресное биотестирование на массовой культуре коловраток.

Для оценки токсического действия исследуемой воды используем средние данные о СОС (показатель скорости осветления среды). Рассчитаем СОС для опыта по формуле (2).

биотестирование вода токсичность калий

где СОС — показатель скорости осветления среды, мкл/(экз. . мин);

C и C_t — число клеток водорослей в одном большом квадрате камеры Горяева в начале и конце биотестирования соответственно;

N — число коловраток в микроаквариуме;

t — время биотестирования, мин;

V — объем воды в микроакварему, мкл.

1. Бакаева Е.Н., Никаноров А.М. Гидробионты в оценке токсичности вод суши. М.: Наука, 2006. 257 с.

2. Бакаева Е.Н. Определение токсичности водных сред. Методические рекомендации. Ростов-на-Дону: Эверест 1999. 48 с.

3. Р 52.24-94. Рекомендации. Методы токсикологической оценки загрязнения пресноводных экосистем / Жулидов А.В., Хоружая Т.А., Предеина Л.М. и др. — М., 1994, с.3-10, 11-17, 83-85.

4. Никаноров А.М., Хоружая Т.А., Бражникова Л.В., Жулидов А.В. Мониторинг качества вод: оценка токсичности. — С-Пб.: Гидрометеоиздат, 2000, с. 10- 15, 39-42.

5. Бакаева Е.Н. Эколого-биологические основы жизнедеятельности коловраток в культуре. Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 1999. 51 с.

6. Бакаева Е.Н. Возможность обеспечения гарантий качества информации с использованием методик биотестирования на коловратках // Научная мысль Кавказа. 1999 № 5. С. 26-36

7. Бакаева Е.Н., Макаров Э.В. Эколого-биологические основы жизнедеятельности коловраток в норме и в условиях антропогенной нагрузки. Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 1999. 206 с.

8. Р 52.24-94. Рекомендации. Методы токсикологической оценки загрязнения пресноводных экосистем / Жулидов А.В., Хоружая Т.А., Предеина Л.М. и др. — М., 1994.

9. Никаноров А.М., Хоружая Т.А., Бражникова Л.В., Жулидов А.В. Мониторинг качества вод: оценка токсичности. — С-Пб.: Гидрометеоиздат, 2000, С. 16-39.

Методы биоиндикации по водорослям и биотестирования по Lepidium sativum L. Видовой состав водорослей и цианобактерий в сточных водах МУП «Уфаводоканал». Исследование количественного развития водорослей и цианобактерий в загрязненной и очищенной воде.

дипломная работа [1,5 M], добавлен 09.06.2014

Классификация сточных вод и методы их очистки. Качественный и количественный учет водорослей и цианобактерий. Методика определения токсичности воды по показателям кресс-салата (Lepidium sativum L.). Биотетстирование сточных вод МУП «Уфаводоканал».

дипломная работа [877,5 K], добавлен 06.06.2014

Состав сточных вод пищевой промышленности. Оценка влияния сточных вод пищевой промышленности на состояние природных вод, на животный мир водоемов. Правовые основы и методы обеспечения природоохранного законодательства в области охраны природных вод.

дипломная работа [594,1 K], добавлен 10.08.2010

Влияние воды и растворенных в ней веществ на организм человека. Санитарно-токсикологические и органолептические показатели вредности питьевой воды. Современные технологии и методы очистки природных и сточных вод, оценка их практической эффективности.

курсовая работа [60,0 K], добавлен 03.01.2013

Особенности использования методов биотестирования и биоиндикации для мониторинга состояния окружающей среды. Контроль качества природных и сточных вод на биоиндикаторе Daphnia magna Strauss. Чувствительность индикатора к различным химическим препаратам.

дипломная работа [591,6 K], добавлен 06.10.2009

Предназначение и основные методы биологической очитки воды. Важность качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов. Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и анаэробных условиях, оценка преимуществ данного метода.

реферат [53,5 K], добавлен 14.11.2010

Повторное использование сточных вод как гигиеническая проблема. Биологическое и химическое загрязнение сточных вод. Методы обезвреживания сточных вод и проблемы безопасности использования восстановленной воды. Экологическая оценка применения осадка.

курсовая работа [92,6 K], добавлен 27.12.2009

Проблема обращения с отходами производства и потребления. Исследование методик проведения биотестирования. Оценка тест-объектов. Целесообразность установления класса опасности отходов методом биотестирования для ЗАО «Тролза» с экономической точки зрения.

презентация [2,0 M], добавлен 21.06.2012

Источники загрязнения внутренних водоемов. Методы очистки сточных вод. Выбор технологической схемы очистки сточных вод. Физико-химические методы очистки сточных вод с применением коагулянтов. Отделение взвешенных частиц от воды.

реферат [29,9 K], добавлен 05.12.2003

Очистка и обесцвечивание природной воды коагулянтами и флокулянтами. Условия применения флокулянтов для очистки воды. Методы определения показателей качества питьевой воды. Исследование флоккулирующих свойств новых сополимеров акриламида в воде.

дипломная работа [577,3 K], добавлен 30.07.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

источник

«Я утверждаю, что все рождающееся от земли живет за счет земной влаги,

и в каком состоянии находится эта влага, в таком

состоянии находится и растение»

Эти слова, сказанные Гиппократом еще в глубокой древности, не потеряли свою актуальность и сейчас. В наше время общество осознало опасность токсического загрязнения поверхностных вод и пришло к необходимости введения в практику мониторинга совершенно новых нетрадиционных подходов, в частности биологического тестирования. Биотестирование — исследование влияния различных веществ на живые организмы. Широкое внедрение методов биотестирования в практику оценки качества вод – настоятельная необходимость времени, так как никакая даже самая современная аналитическая химия не даст полной информации о токсичности среды. К тому же анализ существующих методов оценки качества природных вод показал, что биотестирование – наиболее точный, быстрый и дешёвый способ охраны природных вод. [1]

В своем исследовании с помощью данного метода мы решили выяснить, в каком же состоянии находится вода нашего города, которую мы пьем и которой поливаем растения, используемые нами в пищу.

Гипотеза: с помощью методов биотестирования можно оценить степень загрязнения

Объект исследования: степень загрязнения природных вод г.Пятигорска.

Предмет исследования: однолетние растения семейства Злаковые (Gramíneae): овёс, ячмень, пшеница, однолетние растениясемейства Капустные, или Крестоцветные (Brassicaceae) — кресс-салат и редис.

Цель данной работы — оценить загрязнение природных вод г.Пятигорска по проросткам различных растений-индикаторов.

провести анализ теоретических подходов в изучении данной темы;

освоить методику биотестирования;

установить сезонную динамику токсичности природных вод г.Пятигорска;

определить зависимость развития тест-растений от токсичности природных вод.

1. Литературный обзор.

Методы биотестирования.

Одной из главных причин негативных последствий антропогенного загрязнения природных сред является токсичность загрязняющих веществ для биоты. Именно присутствие токсикантов в окружающей среде приводит к гибели всего живого, выпадению из состава сообществ организмов обитателей чистых зон и замене их эврибионтными видами. Существуют различные физические и химические методы определения токсичности окружающей среды, но в последнее время стали широко использоваться и биологические методы позволяющие провести оценку состояния живых организмов (Приложение 1).

Ведь говоря о загрязнении воды, почвы, атмосферы, об их токсичности мы имеем в виду, то насколько они благоприятны для обитания в них живых организмов, для здоровья человека.К числу наиболее радикальных приёмов относятся методы токсикологического биотестирования. Под биотестом понимается испытание в строго определённых условиях действия вещества или комплекса веществ на водные организмы посредством регистрации изменений того или иного биологического показателя исследуемого объекта по сравнению с контролем. Исследуемые организмы называются тест-объетами, а опыт биотестированием (Лысенко, 1996). Этот дешевый и универсальный метод в последние годы широко используется во всем мире для оценки качества объектов окружающей среды. В России с 1996 года начат эксперимент по внедрению методов биотестирования сточных вод, сбрасываемых в природные водоемы и подаваемых на сооружения биологической очистки.[5] С помощью биотестирования можно получить данные о токсичности конкретной пробы, загрязненной химическими веществами антропогенного или природного происхождения. Этот метод позволяет дать реальную оценку токсичности свойств какой-либо среды, обусловленной присутствием комплекса загрязняющих веществ и их метаболитов. Живые организмы всегда в той или иной степени реагируют на изменение окружающей среды, но в ряде случаев это нельзя выявить физическими или химическими методами, так как разрешающие возможности приборов или химических анализов ограничены. Чувствительные же организмы – индикаторы реагируют не только на малые дозы экологического фактора, но и дают адекватную реакцию на воздействие комплекса факторов (Груздева, 2002). [3].

Биотестирование позволяет установить районы и источники загрязнения. В качестве тест-объектов используются бактерии, водоросли, высшие растения, пиявки, дафнии, моллюски, рыбы и другие организмы. В порядке возрастания толерантности к загрязнениям организмы располагаются в следующий ряд: грибы, лишайники, хвойные, травянистые растения, листопадные растения. Каждый из них имеет преимущества, но, ни один не является универсальным, самым чувствительным ко всем веществам. Для гарантированного выявления присутствия в природных водах токсического агента неизвестного химического состава нужно использовать набор тест-объектов, представляющих различные группы организмов. При выборе тест-организмов исходят из видовой токсичности возможных загрязнителей, особенностей водоема и требований водопотребителей. Для тест-организмов могут быть выделены частные интегральные тест-функции. Интегральные параметры характеризуют состояние системы наиболее обобщённо. Для организмов к интегральным относят характеристики выживаемости, роста, плодовитости. Частными для организма, например, могут быть физиологические, биохимические и гистологические параметры. [6]

Биотестирование природных вод.

Биотестирование природных вод стало широко применяться в научно- исследовательских работах с начала 80-х годов (Приложение 2). Это объясняется существенным увеличением уровня загрязнения водных объектов и надеждами специалистов на то, что биотестирование сможет хотя бы частично заменить химический анализ вод, так как в водные объекты ежегодно сбрасывается около 55 км 3 сточных вод, из которых 20 км 3 загрязнен. (Степановских, 2001). До нормативного качества очищается лишь около 10% вод требующих очистки (Яблоков, 2005). [9]

В 1991г. биотестирование введено как обязательный элемент контроля качества поверхностных вод, что предусмотрено «Правилами охраны поверхностных вод» (1991). Показатели биотестирования природных вод включены в перечень показателей для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия (Туманов, Постнов, 1983). [9] Методы биотестирования представляют собой характеристику степени воздействия на водные биоценозы. Так, А.М. Гродзинский Д.М. Гродзинский (1973) описывают ряд биологических проб для тестирования токсичности природных вод. [2] Согласно принятому определению, биотестирование воды – это оценка качества воды по ответным реакциям организмов, являющихся тест-объектами. Тест на прорастание семян применяется для установления воздействия различных физиологически активных веществ. В качестве индикаторов токсичности используются семена сельскохозяйственных растений. Среди сельскохозяйственных культур наиболее чувствительны салат, люцерна, злаковые, крестоцветные, а к нечувствительным видам относят кукурузу, виноград, розоцветные, подорожник (Рамад,1981). [6] Методы биотестирования должны отвечать следующим требованиям: относительная быстрота проведения, получение достаточно точных и воспроизводимых результатов, наличие, пригодных для индикации объектов в большом количестве. В настоящее время хорошо известны методы биотестирования, ориентированные на определение токсичности водной среды, обусловленной присутствием определенных групп химических соединений, в частности фосфорорганических. Наиболее апробирован на природных водах ферментативный метод В.И. Козловской. [4]

Достоинства методов биотестирования.

Главные достоинства биотестирования – простота и доступность приемов ее постановки, высокая чувствительность тест-организмов к минимальным концентрациям токсических агентов, быстрота, отсутствие надобности в дорогостоящих реактивах и оборудовании. По мнению ряда авторов ни один из отдельно взятых организмов не может служить универсальным тест-объектом к веществам различной химической природы, следовательно, для гарантированного выявления в среде токсичного агента должен использоваться набор биотестов (Брагинский и др. 1979; Лесников, 1983; Филенко, 1989). [9]

Методами биотестирования выявляется токсичность, которая является интегральным показателем загрязнения природных сред. Как и все интегральные показатели, они имеют тот недостаток, что не раскрывают индивидуальные загрязняющие вещества, присутствующие в пробе. Работ по биотестированию водной среды опубликовано множество, но они были сделаны главным образом с целью оценки токсичности вновь синтезируемых химических препаратов, препаратов, приобретаемых по импорту, а также при разработке регламентов на химические соединения. Гораздо меньше публикаций по биотестированию сточных вод и ещё меньше – по биотестированию природных вод (Никаноров, Хоружая, 2001). [1]

Методы биоиндикации, позволяющие изучать влияние техногенных загрязнителей на растительные и животные организмы на неживую природу являются наиболее доступными. Биоиндикация основана на тесной взаимосвязи живых организмов с условиями среды, в которой они обитают. Изменения этих условий, например повышение солености или рН воды может привести к исчезновению определенных видов организмов, наиболее чувствительных к этим показателям и появлению других, для которых такая среда будет оптимальной. [2]

Существуют разные биологические индикаторы. О наличии некоторых загрязнителей можно судить по внешним признакам растений и животных. Благодаря «памяти» этих организмов, можно узнать и о роли тех факторов, которые в настоящее время уже не действуют. Например, появление черных пятен на листьях липы рассказывает о том, что в зимнее время дворники чрезмерно увлекались посыпанием снега солью для ускорения его таяния, о выбросах сернистого газа расскажут пятна на листьях подорожника большого. По ширине годичных колец сосен в окрестностях химического предприятия можно определить, в какие годы завод особенно сильно загрязнял среду. В годы сильного загрязнения атмосферы закладываются более тонкие кольца. По высоте некоторых растений можно судить о концентрации солей в воде. Так, например, тростник может достигать высоты 4 м, но если содержание солей в воде высокое — это растение не вырастет более чем на 0,5 м. Индикаторами загрязнения атмосферы являются некоторые мхи и лишайники. Например, при анализе лишайников в Швеции было установлено появление радиоактивной пыли от Чернобыльской АЭС. Существуют специальные живые приборы — бриометры — маленькие коробочки со мхами определенных видов, по которым определяют режим задымления атмосферы. [9]

Практическая часть.

Исследования проводились по методикам, предложенным А.И. Федоровой и А.Н. Никольской в «Практикуме по экологии и охране окружающей среды», 2003, а также в учебном пособии для вузов «Экологический мониторинг» под редакцией Т.Я. Ашихминой, 2005. [7] [8]

Работа по изучению метода биотестирования токсичности природных вод по проросткам растений индикаторов выполнялась в течение 2015 года.

Все исследования по теме проводились в лаборатории кабинетов химии и биологии МБОУ СОШ №5 г. Пятигорска в дневное время, при сочетании искусственного и естественного освещения в стандартных, оптимальных для тест-растений условиях. Оценить уровень загрязнения водоемов можно, используя тест на прорастание семян. Такое тестирование проводится как предварительное для выявления особенно загрязненных водоемов с целью последующего химического анализа. В качестве тест-растений были использованы проростки высших растений: пшеницы, ячменя, овса, кресс-салата, редиса. Предлагаемый метод биологической оценки токсичности природных вод по проросткам растений индикаторов проводился в двух вариантах:

1.Полив проростков тест-растений испытуемой водой.

2. Накапывание испытуемого раствора между семядолями двудольных растений.

В качестве тест-растений в первом варианте применяли семена пшеницы, овса, ячменя. Во втором варианте были использованы только проростки двудольных растений: кресс-салата, редиса.

Из всех используемых в исследованиях растений кресс-салат обладает повышенной чувствительностью к загрязнению воды тяжелыми металлами. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти 100% всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей. Кроме того, побеги и корни кресс-салата под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям (задержка роста и искривление побегов, уменьшение длины и массы корней) (Голубкина, 2008). [9]. С целью профилактики перед проращиванием семена протравливали. Сухие семена погружали в 1%-ный раствор марганцовокислого калия на 0,5 часа, а затем промывали дистиллированной водой, используя два слоя марли, обсушивали на фильтровальной бумаге на воздухе.

Метод полива проростков тест-растений испытуемой водой

За 2-3 дня до опытов (сроки прорастания семян выяснялись заранее) семена тестовых объектов, пшеницы, овса, ячменя, замачивались на сутки в воде. Затем раскладывались пинцетом зародышем вверх (в одном направлении) в кювету, на дно которой был уложен слой гигроскопической ваты, а сверху – два слоя фильтровальной бумаги. Система увлажнялась водопроводной водой до полной влагоёмкости. Для этого вода наливалась под вату, а после её впитывания удалялся избыток. Кювета накрывалась плёнкой, края плёнки подгибались под кювету. Проращивание производилось при температуре +25 0 С — +26 0 С до размера основной массы проростков 10-15мм и появления корней, после чего ростки разделяют на фракции по длине.

В стаканчики помещают одинаковое количество промытого и покалённого песка, в каждый стаканчик высаживают по 10 одинаковых проростков тест-растений. Песок поливают сверху одинаковым количеством испытуемой воды из разных водоёмов. Повторность – трёхкратная. Контроль – полив отстоянной и очищенной водопроводной водой. После достижения ростками высоты 8-10см их выкапывают, обсушивают фильтровальной бумагой, разделяют бритвой на части (стебель, корни), измеряют и взвешивают. Данные обрабатывают статистически, выражают в процентах к контролю.

Метод полива проростков тест-растений испытуемой водой

Воду, взятую из различных источников, концентрируют упариванием в 10 раз, хранят в холодильнике. Стаканчики наполняют одинаковым количеством промытого и прокалённого песка, вставляют стеклянную трубочку до дна, через которую производят полив, отстоянной водопроводной водой. 18-20 штук всхожих семян (кресс-салат, редис) высевают на небольшую глубину. После того, как ростки взойдут и раскроются семядоли, в стаканчиках оставляют по 10 одинаковых растений, остальные выщипывают пинцетом. Полив субстрата для выращивания производят одинаковым количеством воды через трубочку, используя воронку из фольги. Через 2-3 недели осторожно выкапывают проростки, промывают, обсушивают фильтровальной бумагой, измеряют и взвешивают отдельно надземную часть и корни. Данные обрабатывают статистически, выражают в процентах к контролю.

Развитие проростков тест-растений при поливе их испытуемой водой (весенний период).

источник