Способ определения токсичности воздуха по реакции прорастания семян высших растений
METHOD FOR DETERMINING AIR TOXICITY BY THE REACTION OF GERMINATION OF SEEDS OF HIGHER PLANTS

Заявляемый способ относится к токсикологии и может быть использован для определения токсического воздействия органических и неорганических химических соединений, входящих в состав атмосферного воздуха и экологической оценке состояния населенных пунктов.
Известен способ определения токсичности воздуха по реакции тестовой биокультуры. Способ осуществляют путем улавливания и растворения органических и неорганических веществ-токсикантов из воздушной среды, используя солевой раствор Лозина-Лозинского.  В качестве биологического объекта для определения токсичности воздуха используют инфузории Paramecium caudatum. Оценку токсичности полученных образцов производят на основе способности инфузорий Paramecium caudatum реагировать на присутствие в этом растворе веществ, представляющих опасность для их жизнедеятельности, и направленно перемещаться по градиенту концентраций этих веществ (хемотаксическая реакция), избегая их вредного воздействия и по этой реакции нфузорий Paramecium caudatum судят о степени токсичности воздуха [Патент РФ № 2335770, опубликован 10.10.2008-прототип].
4
3
Недостатком способа является сложность его осуществления с использованием различных технических средств и химических реактивов, аспирационного оборудования, поглотителей Рыхтера с солевым раствором Лозина-Лозинского, фотометра, 5% раствора поливинилового спирта и др., а также дополнительных мероприятий в виде подготовки образцов тестовых культур к проведению эксперимента, а именно промывки тестовых образцов от продуктов метаболизма и корма, проверки их на чувствительность раствором CuSOc концентрацией 0,1 мг/дм и др., что требует также определенных профессиональных навыков.
Технический результат – повышение эффективности способа определения токсичности воздуха по реакции прорастания семян высших растений в водных пылевидных суспензиях с содержанием в них органических и неорганических веществ.
Задачей заявляемого изобретения – повышение эффективности способа определения токсичности воздуха по реакции прорастания семян высших растений в водных пылевидных суспензиях с содержанием в них органических и неорганических веществ за счет упрощения способа, исключающим мероприятия по пробоподготовки тестовых биокультур с использованием реактивов и различных технических средств при одновременном снижении трудовых и экономических затрат на осуществление способа.
Решение технической задачи
ф
ср.
ср.
ср
ср.
ср.
ф
ф
ф
ф
ф
Способ определения токсичности воздуха по прорастанию семян высших растений, включающий улавливание из воздушной среды органических и неорганических веществ-токсикантов, растворение их  с получением исследуемых водных растворов  и определение оценки загрязнения воздуха по реакции тестовых биокультур в исследуемых растворах  с определением индекса токсичности воздушной среды, в котором для улавливания из воздушной среды органических и неорганических веществ-токсикантов используют листовые пластинки древесных растений одного вида, произрастающих в экспериментальной зоне и в условно чистой зоне, а в качестве тестовых  биокультур используются семена высших растений, при этом способ осуществляется в несколько стадий: на первой стадии в сухую погоду на исследуемой экспериментальной территории и в условно чистой зоне,  выбранной в качестве контрольной, производят сбор листьев с одинакового вида древесных растений с предполагаемыми на них пылевидными частицами с содержанием органических и неорганических веществ, с одного древесного растения отбирается 10 листьев и с не менее 10 древесных растений, каждая выборка включает по 100 листьев, как с экспериментальной территории, так и из условно-чистой зоны, на второй стадии готовят из отобранных листьев древесных растений одного вида водные суспензии - смыв пыли с листьев растений, для приготовления раствора собранные листья в количестве 100 шт. с экспериментальной территории и 100 шт. листьев из условно-чистой зоны помещают в химические стаканы с дистиллированной водой, объемом по 1000 мл, перемешивают их в течение 2-3 минут и получают две водные суспензии с содержанием пылевидных частиц, затем листья растений пинцетом отбирают из химических стаканов,  на третьей стадии для исследований берут чашки Петри диаметром 10 см, которые стерилизуют в сушильном шкафу при температуре 130 °С в течение 1часа или  кипячением в воде в течение 40 минут, после чего укладывают на дно чашек Петри фильтровальную бумагу, в одну из чашек Петри наливают водную пылевидную суспензию из экспериментальной зоны объемом 5 мл, а в другую - 5 мл водную пылевидную суспензию из условно-чистой зоны, в каждую чашку Петри аккуратно и равномерно пинцетом укладывают на фильтровальную бумагу по 50 штук семян растительных тестовых биокультур, при чем уровень жидкости в чашках Петри должен быть ниже поверхности семян, чашки Петри закрывают покровными стеклами и помещают в термостат при температуре 20 °С для проращивания семян, время проращивания семян в термостате обусловлено выбором растительных тестовых культур высших растений, на четвертой стадии испытаний определяют степень прорастания семян тестовых культур, измеряя длину корней проросших семян тестовых растительных биокультур как в контрольной так и в экспериментальной группах и затем рассчитывают уровень фитоксичности на субстрате водных пылевидных суспензий с экспериментальной территории по формуле: Т= (Lк–Lэ/ Lк.) х 100%, где Lк-  среднее значение длины корней семян в мм, которые выросли на субстрате водных пылевидных суспензий из условно-чистой зоны, а Lэ- среднее значение длины корней семян мм, которые выросли на субстрате водных пылевидных суспензий из экспериментальной зоны, по уровню фитотоксичности пылевидных суспензий оценивается экологическое состояние воздушной среды территории, при фитотоксичности - Т= 90 -100 % (5-ый уровень фитотоксичности), что соответствует очень сильному загрязнению атмосферы воздуха, при токсичности Т=75-90%, (4-ый уровень фитотоксичности), что соответствует сильному загрязнению атмосферы воздуха, при фитотоксичности Т=50-75%, (3-ий уровень фитотоксичности), соответствует среднему загрязнению атмосферы воздуха, при фитотоксичности Т= 25 -50 %, (2-ой уровень фитотоксичности), соответствует слабому загрязнению атмосферы и токсичности воздуха и фитотоксичности Т<25 % -  1-ый уровень фитотоксичности, который соответствует очень слабому загрязнению атмосферы и фитотоксичности воздуха или отсутствием загрязняющих веществ в воздухе.
Осуществление способа
Способ определения токсичности воздуха и оценка экологического состояния воздушной среды территории заключается в том, что он осуществляется в несколько стадий.
На первой стадии в сухую погоду на исследуемой экспериментальной территории и в условно чистой зоне,  выбранной в качестве контрольной, производят сбор листьев с одинакового вида древесных растений с предполагаемыми пылевидными частицами и с содержанием органических и неорганических веществ на поверхности листовых пластинок. С одного древесного растения отбирается 10 листьев и с не менее 10 древесных растений одного вида, каждая выборка включает по 100 листьев, как на экспериментальной территории, так и в условно-чистой зоне. На второй стадии готовят из отобранных листьев древесных растений одного вида пылевидные водные суспензии (смыв пыли с листьев растений). Для приготовления раствора собранные листья в количестве 100 шт. с экспериментальной территории и 100 шт. листьев из условно-чистой зоны помещают в химические стаканы с дистиллированной водой, объемом по 1000 мл, перемешивают их в течение 2-3 минут и получают две водные суспензии с содержанием пылевидных частиц с содержанием в них органических и неорганических веществ. Затем листья растений аккуратно пинцетом отбирают из химических стаканов и получают водные пылевидные суспензии,  готовые для исследований. На третьей стадии для исследований берут чашки Петри диаметром 10 см. Чашки Петри стерилизуют в сушильном шкафу при температуре 130 °С в течение 1 ч или кипячением в воде в течение 40 мин. Затем укладывают на дно чашек Петри фильтровальную бумагу. В одну из чашек Петри наливают водную пылевидную суспензию (смыв пыли с листьев растений с экспериментальной территории) объемом 5 мл, а в другую - 5 мл водной пылевидной суспензии с условно-чистой зоны. В каждую чашку Петри аккуратно и равномерно пинцетом укладывают на фильтровальную бумагу по 50 штук семян растительных тестовых культур. Уровень жидкости в чашках Петри должен быть ниже поверхности семян. Чашки Петри закрывают покровными стеклами и помещают в термостат при температуре 20 °С для их проращивания. Время проращивания семян в термостате обусловлено выбором растительных тестовых культур высших растений (Приложении №1 ГОСТ 120 3 8 -8 4 С. 10).  На четвертой стадии испытаний определяют степень прорастания семян тестовых культур, измеряя длину корней проросших семян тестовых растительных культур как в контрольной так и в экспериментальной группах и затем рассчитывают уровень фитотоксичности (способность химических веществ, растворенных в воде, угнетать (ингибировать) прорастание семян высших растений) водных пылевидных суспензий по формуле: Тф= (Lк - Lэ / Lк) х 100 %.
По уровню фитотоксичности пылевидных суспензий оценивается экологическое состояние атмосферы территории.
ф
ф
ф
ф
ф
При фитотоксичности - Т= 90 -100 % и более  (5-ый уровень фитотоксичности), что соответствует очень сильному загрязнению атмосферы воздуха, при токсичности Т= 75 -90 %, (4-ыйуровень фитотоксичности), что соответствует сильному загрязнению атмосферы воздуха, при фитотоксичности Т= 50-75 %, (3-ий уровень фито токсичности), соответствует среднему загрязнению атмосферы воздуха, при фитотоксичности Т= 25 -50 %, (2-ой уровень фитотоксичности), соответствует слабому загрязнению атмосферы и токсичности воздуха и если фито токсичность Т<25 %,  это 1-ый уровень фитотоксичности, который соответствует очень слабому загрязнению атмосферы и токсичности воздуха или отсутствием загрязняющих веществ и токсичности воздуха.
Пример конкретного исполнения
В соответствии с изложенной сущностью приводится пример осуществления способа.
Фитотоксичность - способность химических веществ, в том числе поверхностно активных веществ (ПАВ), растворенных в воде, угнетать (ингибировать) прорастание семян высших растений.
В качестве образцов для получения водных суспензий были использованы листья ивы  белой (Salixalba L.), обладающие наибольшей способностью адсорбировать из атмосферы воздуха органические и неорганические химические соединения. Отбор образцов  листьев ивы  белой (Salixalba L) производился в населенном пункте Киляковка в Среднеахтубинском районе Волгоградской области, расположенном на берегу реки Ахтуба, территории тектонических разломов,  характеризующейся природным источником загрязняющих веществ   (экспериментальная территория) и в коттеджном поселке «Прибрежный» (условно чистая зона), располагающемся на берегу реки Волга. Способ определения токсичности воздуха и оценки экологического состояния атмосферы территории, осуществлялся в несколько стадий.
Примеры конкретного осуществления способа проиллюстрированы на фотографиях:
- на фиг.1 представлены фотографии образцов группы чашек Петри с субстратом водных пылевидных суспензий из условно-чистой зоны с  семенами кресс-салата ДУКАТ;
- на фиг.2 представлена фотография проростков семян кресс-салата ДУКАТ с субстратом из условно-чистой зоны;
- на фиг.3 представлена фотография проростков семян кресс-салата ДУКАТ с субстратом из экспериментальной зоны;
- на фиг.4 представлены в сравнении два проростка по длине корней из семян кресс-салата ДУКАТ, которые культивировались с субстратом водных пылевидных суспензий из условно-чистой зоны и с субстратом из экспериментальной зоны.
На первой стадии в сухую погоду на исследуемых территориях производили сбор листьев с ивы  белой (Salixalba L.)  с предполагаемыми пылевидными частицами на поверхности листовых пластинок. С одного древесного растения - ивы  белой (Salixalba L.) отбирали по 10 листьев, каждая выборка включала по 100 листьев с 10 древесных растений, произрастающих на экспериментальной территории и 100 листьев с 10 древесных растений того же вида, произрастающих в условно-чистой зоне.
На второй стадии из листьев ивы  белой (Salixalba L.) с экспериментальной территории (Э) и из условно-чистой зоны (К) готовили пылевидные водные суспензии (смыв пыли с листьев) . Для этого листья ивы  белой (Salixalba L.), в количестве 100 шт., с экспериментальной территории и листья в количестве 100 шт. из условно-чистой зоны помещали в химические стаканы с дистиллированной водой объемом по 1000 мл,  перемешивали их в дистиллированной воде в течение 2-3 минут, затем аккуратно пинцетом листья отбирали из химических стаканов и получали две водные суспензии с содержанием пылевидных частиц.
На третьей стадии исследования брали 8 чашек Петри диаметром 10см и стерилизовали их кипячением в воде 40 мин. Укладывали на дно чашек Петри фильтровальную бумагу. В четыре чашки Петри наливали приготовленные водные пылевидные суспензии с экспериментальной территории объемом по 5 мл, а в другие четыре чашки Петри наливали по 5 мл водной пылевидной суспензии из условно-чистой зоны. В каждую чашку Петри аккуратно и равномерно пинцетом укладывали на фильтровальную бумагу по 50 штук семян растительных тестовых биокультур, при этом соблюдалось условие, чтобы уровень жидкости в чашках Петри был ниже поверхности семян. В качестве тестовой биокультуры применяли семена кресс-салат ДУКАТ (производитель: ООО «ЦЕНТР-ОГОРОДНИК»). Всего было задействовано   восемь чашек Петри: 4 чашки Петри с субстратом водных пылевидных суспензий из условно-чистой зоны и 4 чашки Петри с субстратом с экспериментальной территории. Чашки Петри закрывали покровными стеклами и помещали в термостат при температуре 20 °С на 72 часа (ГОСТ 120 38 - 84 С. 10 (Приложение №1).
На четвертой стадии - через 72 часа измеряли длину корней в мм проростков как в контрольной так и в экспериментальной группах, в которых семена кресс-салата Дукат дали различную длину корней проростков, и затем рассчитывали уровень фитотоксичности водных      пылевидных суспензий по формуле: Тф= (Lк - Lэ / Lк) х 100 %, где
ср.
ср.
Lк-  среднее значение длины корней семян в мм, которые выросли на субстрате водных пылевидных суспензий из условно-чистой зоны,  Lэ- среднее значение длины корней семян в мм, которые выросли на субстрате водных пылевидных суспензий из экспериментальной зоны.
Результаты измерений через 72 часа длины корней проросших семян кресс-салата ДУКАТ в водных пылевидных суспензиях в чашках Петри  (№1, №2, №3, №4) из условно-чистой зоны  (К) и в чашках Петри  (№5, №6, №7, №8) из экспериментальной территории  (Э) представлены в таблице 1. У проростков семян, выращенных в субстрате из условно-чистой зоны, длины корней значительно больше, чем у проростков семян, выращенных в субстрате из экспериментальной территории.
Таблица 1
Показатель фитотоксичности
Средние значения показателя фитотоксичности водных пылевидных суспензий из условно-чистой зоны(L<sub>к</sub>)
Среднее значение показателяиз 4-х проб(Lк<sub>ср.</sub>)
Средние значения показателя фитотоксичностиводных пылевидных суспензий с экспериментальной территории(L<sub>э</sub>)
Среднее значения показателя в пробах(Lэ<sub>ср.</sub>)
Уровень фитотоксичности(Т<sub>ф</sub>)
Оценка экологического состояния атмосферы территории
№1
№2
№3
№4
№5
№6
№7
№8
Длина корешка (L<sub>х</sub>), мм
35,36<u>+</u>2,11
40,58+1,76
39,18<u>+</u>1,83
38,32<u>+</u>2,14
38,36<u>+</u>0,99
11,98<u>+</u>0,99
10,44<u>+</u>0,69
10,30+0,70
11,2<u>+</u>0,38
11,19<u>+</u>0,39
3
«среднее загрязнение»
ф
Т-уровень фитотоксичности (%) водных пылевидных суспензий определяли по формуле:
ф
ср.
ср.
ср
Т= (Lк–Lэ/ Lк.) х 100%, где
ср.
Lк-  среднее значение длины корней семян, мм, которые выросли на субстрате водных пылевидных суспензий из условно-чистой зоны
ср.
Lэ- среднее значение длины корней семян, мм, которые выросли на субстрате водных пылевидных суспензий с экспериментальной территории.
ф
ф
Используя приведенную выше формулу и результаты опытных данных определяли фитотоксичность в экспериментальной зоне (Э) в населенном пункте Киляковка, которая составила Т=(38,36–11,19/38,36)х100%=70,83%. Поученное значение находится в диапазоне Т= 50-75 %, что соответствует 3-му уровню фитотоксичности или среднему загрязнению и токсичности воздуха территории, то есть в пылевидных частицах на листьях ивы  белой (Salixalba L.) содержатся вещества - токсиканты, которые могут представлять опасность для окружающей среды.