О влиянии загрязнения малых рек Ростовской области на показатели активности щелочной фосфатазы и эстераз сестона

ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ, РАДИАЦИОННОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

УДК 574.5:556

О ВЛИЯНИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ МАЛЫХ РЕК РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ НА ПОКАЗАТЕЛИ АКТИВНОСТИ ЩЕЛОЧНОЙ ФОСФАТАЗЫ И ЭСТЕРАЗ СЕСТОНА

© 2014 г. О.И. Бейсуг

Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.

В данной работе рассмотрены взаимосвязи между уровнем загрязнения и показателями активности щелочной фосфатазы в малых реках Ростовской области. Сделаны выводы о том, что показатели активности щелочной фосфатазы и внеклеточных эстераз являются информативными показателями, в особенности СФА для оценки загрязненности речных вод в первую очередь органическими и биогенными веществами, а также некоторыми тяжелыми металлами; повышенный уровень активности ферментов отражает не только загрязненность воды на момент отбора пробы, но и отдаленные эффекты загрязняющих веществ, что имеет чрезвычайно важное значение в условиях дискретного отбора проб, который осуществляется в мониторинге поверхностных вод суши.

Ключевые слова: активность щелочной фосфатазы, активность внеклеточных эстераз, метаболизм, гидробиоценозы, интенсивность метаболизма биоценозов, экологический мониторинг, загрязняющие вещества, водные экосистемы, гидробиологический контроль, ПДК (предельно допустимая концентрация).

Поступила в редакцию 01.12.2014 г.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных механизмов, поддерживающих сбалансированность биогеохимического круговорота веществ в водных экосистемах при антропогенном загрязнении, является изменение скорости процессов образования и деструкции веществ или, иначе, интенсивности метаболизма гидробиоценозов [1]. В случае загрязнения биогенными и органическими веществами интенсивность метаболизма гидробиоценозов, как правило, возрастает, способствуя увеличению самоочищающей способности воды. Иными словами, существует определенное соотношение между уровнем загрязненности вод биогенными и органическими веществами и интенсивностью метаболизма гидробиоценозов, при котором экосистема способна справляться с антропогенной нагрузкой.

В случае тяжелого загрязнения вод токсичными веществами, угнетающими процессы продукции и деструкции веществ, интенсивность метаболизма гидробиоценозов снижается, что ведет к накоплению в воде загрязняющих веществ и, в конечном итоге, к деградации экосистем.

Процессы превращения веществ в водных экосистемах обеспечиваются, главным образом, мультиферментными системами, которые функционируют как внутри клеток организмов, так и вне клеток, используя в качестве субстратов растворенные в воде вещества. Эти системы осуществляют непрерывный обмен веществом и энергией между биоценозом и средой обитания и обеспечивают гомеостаз водных экосистем.

Таким образом, по активности некоторых ключевых ферментов, участвующих в трансформации веществ, можно судить об интенсивности метаболизма гидробиоценозов, а, следовательно, и степени загрязненности вод. С позиций информативности ферментативных показателей для оценки интенсивности метаболизма гидробиоценозов следует рассматривать, по-видимому, в первую очередь внеклеточные ферменты, секретируемые планктонными организмами и участвующие в круговороте важнейших биогенных элементов, в том числе щелочную фосфатазу (КФ 3.1.3.1) и неспецифичные эстеразы (КФ 3.1.1.1 и 3.1.1.2). Щелочная фосфатаза связана с энергетикой клетки, участвуя в круговороте фосфора. Этот фермент гидролизует фосфомоноэфирные связи у широкого круга фосфорорганических веществ как автохтонного, так и аллохтонного происхождения с образованием ортофосфата. Неспецифичные эстеразы гидролизуют сложноэфирные связи, являясь неотъемлемым звеном круговорота углерода.

Цель - установить влияние загрязнения и показатели активности щелочной фосфатазы и эстераз сестона в малых реках Ростовской области.

МАТЕРИАЛ ИССЛЕДОВАНИЙ

Одновременно с активностью ферментов определяли численность фитопланктона, бактериопланктона, БПК5, содержание различных форм азота, фосфора и некоторых загрязняющих веществ. Данные по бактериопланктону, БПК5, содержанию различных форм фосфора и азота, ртути, нефтепродуктов в малых реках получены в Гидрохимическом институте. Пробы воды отбирались на стационарных пунктах и створах гидрохимической сети мониторинга поверхностных вод суши.

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ ФЕРМЕНТОВ

Внеклеточные ферменты в водных объектах продуцируются, в основном, фитопланктоном и бактериопланктоном и попадают в водную среду в результате секреции через клеточные мембраны [3]. Некоторая часть ферментативных молекул отрывается от клеток и переходит в растворенное состояние, другая - остается связанной с клетками, прикрепляясь к клеточной стенке или мембране. При проведении исследований определяли активность связанных ферментов, т.к. они более адекватно отражают функциональное состояние планктонных организмов в момент отбора проб воды. Для этого 0,5 - 1,0 л (в зависимости от сезона) пробы воды фильтровали через мембранный фильтр с диаметром пор 0,3 мкм, который задерживает клетки фитопланктона и бактериоплактона. Осевший на фильтре сестон смывали 6-ю мл фильтрата. Активность щелочной фосфатазы и эстераз определяли во взвеси сестона, используя в качестве субстратов соответственно а-нафтилфосфат и а-нафтилацетат [2]. Ферментативный гидролиз а-нафтилфосфата проводили при рН 10,0, а-нафтилацетата - при рН 7,4. Образовавшийся в результате ферментативных реакций а-нафтол связывали в реакции азосочетания с РР-солью для получения окрашенных комплексов, количество которых определяли фотометрически при Х=530 и 450 нм соответственно для щелочной фосфатазы и эстераз. Активность ферментов выражали в микромолях а-нафтола, образовавшегося в результате ферментативного гидролиза в 1 л воды в течение 1 ч [2].

Исследования, проведенные на реках Ростовской области - Большая Крепкая, Тузлов, Темерник, а также на ручье балки Калиновой выявили значительные отличия активности обоих ферментов на каждом из перечисленных водных объектов. На реках Б. Крепкая (х.Атамано-Власовка), Тузлов (ниже впадения р. Б. Крепкая) и ручье балки

Калиновой (вблизи истока) пробы отбирали в июле 1997, 2004 и 2008 годах. Определяли концентрации нефтепродуктов и некоторые гидрохимические показатели качества вод, включая БПК5 и анионные синтетические поверхностно активные вещества (АСПАВ), а также активность ферментов - щелочной фосфатазы и эстераз. В р. Темерник пробы отбирали в разные сезоны 2003, 2004, 2006, 2008 годов у Пригородного автовокзала.

Значения активности обоих ферментов на каждой из изученных рек в разные годы были близкими. Наиболее низкие значения АЩФ и АЭ выявлены в р. Б. Крепкая, наиболее высокие - в р. Темерник, куда сбрасываются недостаточно очищенные хозяйственно-бытовые и промышленные сточные воды г. Ростова-на-Дону.

Сопоставление активности ферментов с концентрациями загрязняющих веществ на этих реках показало наличие корреляционных связей фосфатазной и эстеразной активности с содержанием АСПАВ, нитритного азота и значениями БПК5. (табл. 1).

Таблица 1. - Коэффициенты корреляции между активностью ферментов и гидрохимическими показателями качества вод в малых реках Ростовской области

Показатели активности ферментов БПК5 АСПАВ Ш2-

АЩФ 0,88 0,96 0,68

АЭ 0,68 0,97 0,47

СФА 0,85 0,98 0,66

Высокие коэффициенты корреляции с БПК5, АСПАВ и нитритами выявлены также для показателя суммарной ферментативной активности (СФА), который получали суммированием АЩФ и АЭ. Этот показатель оказался более чувствительным к загрязнению органическими веществами, суммируя особенности влияния отдельных веществ на фосфатазную и эстеразную активность. В таблице представлено сопоставление показателей активности ферментов с концентрациями некоторых загрязняющих веществ и значениями БПК5 на изученных водных объектах. Наиболее четко значения СФА соотносятся с БПК5. Более высокий уровень показателя СФА в р. Тузлов и ручье балки Калиновой обусловлен, по-видимому, повышенными концентрациями АСПАВ, а увеличение СФА в р. Дон, возможно, связано с повышением концентраций нефтепродуктов. На изученном участке р. Дон наиболее высокие значения активности ферментов и СФА наблюдались на створах, расположенных ниже впадения грязных вод р. Темерник и сбросов очистных сооружений г. Ростова-на-Дону. При ранжировании водных объектов по возрастанию одного из ферментов, несмотря на высокие коэффициенты корреляции каждого из них с БПК5, результаты получались различными, вследствие разной чувствительности щелочной фосфатазы и эстераз к загрязняющим веществам.

По значениям активности ферментов наиболее благополучное состояние планктонных сообществ наблюдалось в р. Б. Крепкая, где не отмечено превышений ПДК АСПАВ, биогенных веществ и предельных значений БПК5. В отдельных пробах воды регистрировались незначительные (в 1,2 раза) превышения ПДК нефтепродуктов. Однако, по данным [5] вода в этой реке оценивается как грязная вследствие 9-кратного превышения ПДК сульфатных ионов, а также превышений ПДК меди, марганца, алюминия, никеля и железа общего. Высокое содержание сульфатов в р. Б. Крепкая имеет скорее природное, чем антропогенное происхождение, вследствие чего, по-видимому, в отношении сульфатов необходимо применять иные критерии. Что касается

общего железа, то по данным наших исследований концентрации растворенных форм железа изменялись в реке от 0,041 до 0,066 мг/л, что значительно ниже ПДК. Содержание взвешенных форм железа, которое в настоящее время не нормируется, было достаточно высоким и варьировало в пределах 1,4 -2,2 мг/л. Однако, вопрос о критериях оценок для рек, подобных Б. Крепкой, требует отдельного разговора.

Таблица 2. - Активность щелочной фосфатазы (АЩФ), эстераз (АЭ) и показателя суммарной ферментативной активности (СФА) в водных объектах Ростовской области

Водный объект, створ СФА, мкмоль /(л-ч) а-нафтола АЩФ, мкмоль /(л-ч) а-нафтола АЭ, мкмоль /(л-ч) а-нафтола Си, мкг/л Нефтепродукты, мг/л БПК5, мг/л О2 СПАВ, мг/л

р. Большая Крепкая (х. Атамано-Власовка) п=8 1,33 - 2,14 1,44 0,22 - 0,40 0,31 1,02 - 1,92 1,30 6,0-7,0 0,04-0,06 0,05 0,97-1,69 1,20 0,03-0,05 0,04

р. Тузлов, ниже впадения р. Б. Крепкая п=3 2,15 0,62 1,54 6,0-7,0 0,06 3,17 0,12

р. Дон, у Ростовского водозабора п=5 2,0 - 3,4 2,98 0,30 - 0,54 0,35 1,69 - 2,97 2,63 2,0-10,0 4,6 0,12-0,25 0,18 1,24-2,58 1,93 0,02-0,05 0,04

р. Дон, ниже впадения р.Темерник п=5 2,08 - 5,74 3,8 0,30 - 1,14 0,60 1,78 - 4,6 3,2 1,0-9,0 5,0 0,12-0,24 0,18 1,85-2,35 2,14 0,02-0,06 0,04

р.Дон, у водосброса очистных сооружений Ростова-на-Дону, л.б. п=5 3,78 - 7,10 4,98 0,27 - 2,26 1,02 2,8 - 5,3 3,96 2,0-7,0 3,8 0,06-0,12 0,08 1,89-3,56 3,21 0,03-0,05 0,04

р. Дон, участок от г. Аксая до г. Азова п=50 1,70 - 7,07 3,81 0,18 - 2,26 0,54 1,52 - 5,5 3,27 1,0-12,0 4,1 0,06-0,25 0,13 1,24-4,48 2,48 0,02-0,06 0,04

Ручей балки Калиновой, исток п=2 5,30 2,90 2,24 - 0,05 6,74 0,23

р. Темерник п=4 12,5 - 32,5 21,5 6,8 - 14,5 10,5 5,7 - 18,0 11,0 5,0-7,0 6,0 - 7,65-14,67 11,8 -

Примечание: п - число определений, знак (-) означает отсутствие данных

ВЫВОДЫ

Анализ результатов исследований, проведенных на некоторых водотоках Ростовской области, свидетельствует об информативности показателей АЩФ, АЭ и, в особенности, СФА для оценки загрязненности речных вод, в первую очередь, органическими и биогенными веществами, а также некоторыми тяжелыми металлами.

Следуя из выше изложенного, изменение активности ферментов является одним из механизмов адаптации организмов разных трофических уровней к токсическому

воздействию загрязняющих веществ. Если на ранних этапах токсических эффектов активность ферментов, как правило, снижается, то в более поздние периоды, напротив, повышается, свидетельствуя о стимуляции механизмов детоксикации, сопровождающихся увеличением энергетических затрат клетки [6]. При этом повышенный уровень активности ферментов может сохраняться длительное время и после того как концентрации загрязняющих веществ уменьшатся до фоновых значений [4].

Таким образом, повышенный уровень активности ферментов отражает не только загрязненность воды на момент отбора пробы, но и отдаленные эффекты загрязняющих веществ, что имеет чрезвычайно важное значение в условиях дискретного отбора проб, который осуществляется в мониторинге поверхностных вод суши.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абакумов, В.А. Экологические модификации и развитие биоценозов [Текст] / В.А. Абакумов // Экологические модификации и критерии экологического нормирования. Тр. междун. симпоз., Нальчик,1-12 июня 1990 г. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 18-51.

2. Бейсуг, О.И. Биоиндикация экологического состояния водных экосистем территории воздействия Ростовской АЭС с использованием ферментативных показателей [Текст] / О.И. Бейсуг // Глобальная ядерная безопасность. - 2013. - №1(6). - С. 29.

3. Безбородов, А.И. и др. Секреция ферментов у микроорганизмов [Текст] / А.И. Безбородов, Н.И. Астапович. - М.: Наука, 1984. - 70 с.

4. Предеина, Л.М. и др. Особенности влияния тяжелых металлов на показатели активности внеклеточных эстераз и щелочной фосфатазы в водных экосистемах [Текст] / Л.М. Предеина, Ю.А. Федоров, О.И. Бейсуг, М.Н. Предеин // Научная конференция по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах-участниках СНГ, посвященная 10-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии. Секция 5. Мониторинг загрязнения окружающей природной среды / Тез. докл. на науч. конф., Санкт-Петербург, 23-26 апр. 2002 г. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2002. - С. 119-121.

5. Даллакян, Г.А. и др. Влияние меди на продукционные процессы в Балтийском море [Текст] / Г.А. Даллакян, М.Н. Корсак, С.А. Мошаров // Вестн. Моск. ун-та. Сер.16. Биология. - 2002. -№1. - С. 42-45.

6. Саванина, Я.В. и др. Микроводоросли и цианобактерии: устойчивость к действию тяжелых металлов [Текст] / Я.В. Саванина, А.Ф. Лебедева, М.В. Гусев // Вест. Моск. ун-та. Сер. 16. Биология. - 2001. - №3. - С. 14-23.

About Pollution Influence of the Rostov region Small Rivers on Indicators of Alkaline Phosphatase and Esterases of Sestons Activity

O.I. Beisug

Volgodonsk Engineering Technical Institute the Branch of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenin St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360 e-mail: beisug@rambler.ru

Abstract - In this work we considered the relationship between pollution and indicators of alkaline phosphatase activity in the small rivers of the Rostov region. The conclusions that the performance of alkaline phosphatase activity and extracellular esterases are informative indicators, especially SFA for pollution of river waters primarily organic and nutrients and some heavy metals; increased level of enzyme activity reflects not only the contaminated water at the time of sampling, but also the distant effects of pollutants, which is extremely important in terms of discrete sampling, carried out monitoring of surface waters.

Keywords: alkaline phosphatase activity, extracellular esterases activity, metabolism, hydrobiocenosis, the intensity of the biocenoses metabolism, ecological monitoring, pollutant, aquatic ecosystems, hydrobiological control, MAC (maximum allowable concentration).