Исследование тест-реакций растительных и животных организмов для оценки степени загрязненности воды

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕСТ-РЕАКЦИЙ РАСТИТЕЛЬНЫХ И ЖИВОТНЫХ ОРГАНИЗМОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ВОДЫ

Кокорин А.М. ©

Доцент, кандидат биологических наук, кафедра БЖД, экологии и химии, Ковровская государственная технологическая академия имени В.А.Дегтярева

Аннотация

В статье приводятся данные о результатах использования ряда растительных и животных организмов в качестве тест-объектов для определения качества водной среды, оцениваются их тест-реакции.

Ключевые слова: вода, загрязнение, гидробионты, биотестирование. Keywords: water pollution, hydrobionts, bioassay.

Вода оказывает огромное влияние на здоровье человека. Для того, чтобы хорошо себя чувствовать, человек должен употреблять только чистую качественную питьевую воду.

Оценка качества воды осуществляется с помощью физических, химических и биологических методов. С помощью физических исследований устанавливается температура и запас воды в водоеме, а также количество взвешенных веществ. С помощью химических исследований определяется количественный и качественный состав минеральных и органических загрязнений, а в отдельных случаях и токсических веществ. При исследованиях степени чистоты и загрязнения вод особое значение придается биологическим исследованиям. Они позволяют в сравнительно короткий срок на основании микро- и макроскопических исследований оценить степень и характер загрязнений водоема, предельно допустимые значения которых, задаются соответствующими нормативными документами.

Биотестирование — процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для оценки параметров среды используются стандартизованные реакции живых организмов (отдельных органов, тканей, клеток или молекул). В организме, пребывающем контрольное время в условиях загрязнения, происходят изменения физиологических, биохимических, генетических, морфологических или иммунных систем. Объект извлекается из среды обитания, и в лабораторных условиях проводится необходимый анализ.

Основными характеристиками методов биотестирования, определяющими цели и условия их возможного использования в системах хозяйственно-питьевого водоснабжения, являются: вид тест-объекта; контролируемый параметр тест-объекта (тест-реакция); процедуры измерения тест-реакции; оценочные нормативы для определения степени опасности контролируемой среды (воды) для человека по замеренным параметрам тест-реакции.

В качестве тест-объектов в современных методах биотестирования для контроля безопасности (безвредности) воды министерство природных ресурсов РФ предлагает использовать рыб (гуппи - Poecillia reticulata Peters) ракообразных (дафний - Daphnia magna Straus, цериодафний Ceriodaphnia affinis Lilljeborg, науплиусов морских ракообразных Artemia salina L.), инфузорий (Tetrahymena pyriformis (Ehrenberg) Schewiakoff.), водоросли (пресноводные одноклеточные зеленые протококковые водоросли Scenedesmus quadricauda (Turp) Breb., одноклеточные морские водоросли Phaeodactylum tricornutum Bohlin), бактерий (Photobacterium phosphoreum (Cohn) Ford) [5].

© Кокорин А.М., 2016 г.

Среди тест-объектов, относящихся к высшим растениям, в литературе выделяют следующие виды: ряска малая Lemna minor L., редька масличная (Brassica rapa CrGC syn. Rbr), овес (Avena sativa), кресс-салат (Lepidium sativum), лук репчатый (Ällium cеpa) и др. Некоторые авторы рекомендуют использовать тест-культуру, характерную для конкретного региона [4]. Многие виды высших растений используют и для оценки фитотоксичности почв

[4].

Основные требования к тест-объектам состоят в их доступности, простоте и удобстве культивирования или хранения для использования, достаточной чувствительности к содержащимся в воде токсикантам, опасным для человека. Некоторые виды тест-организмов не так просты в культивировании и длительном поддержании тестовых качеств, и поэтому могут доставить трудности в осуществлении экспресс оценки анализируемого объекта окружающей среды.

В биотестировании используют различные тестовые реакции (функции) живых организмов, в зависимости от подхода. Так, согласно биохимическому подходу оценивают эффективность биохимических реакций, уровень ферментативной активности, накопление определенных продуктов обмена. Наличие и степень проявления генетических изменений характеризует мутагенную активность среды (генетический подход) [1].

Эмбрионы и личинки — наиболее чувствительные к повреждающим факторам фазы жизненного цикла гидробионтов. Воздействие на организм стрессирующих факторов приводит к отклонениям от нормального строения различных морфологических признаков (морфологический подход). Для диагностики воздействия загрязнений на морфологические характеристики применяются методы оценки флуктуирующей асимметрии.

Одна из наиболее важных характеристик, высокочувствительная к стрессовому воздействию среды, — энергетика физиологических процессов (физиологический подход). Другая базовая характеристика, перспективная для оценки стрессовых воздействий, — темп и ритмика ростовых процессов. В качестве тест-функций применяются физиологические параметры пресноводных беспозвоночных гидробионтов разных уровней филогенеза [2]. В качестве тест-реакций в основном используют гибель тест-объектов, в ряде случаев угнетение роста, выживаемость, плодовитость. Так, при моделировании загрязнения воды поверхностно-активными веществами (ПАВ) и тяжелыми металлами в качестве тест-функции использовалась скорость передвижения личинок (науплиусов) жаброногого рачка Artemia salina [3].

Проведенные нами исследования были направлены на изучение биоиндикационных возможностей разных организмов, а также их тестовых функций на конкретные стрессовые факторы среды.

Роговая катушка (Planorbarius corneus) — пресноводный речной моллюск, который встречается, практически, во всех озерах и реках. Изменение свойств среды обитания, в частности изменения рИ, оказывают эффект на рост улиток. Кислая среда хуже всего переноситься данными гидробионтами. Вначале эксперимента рH данной среды был доведен до значения 3,5-4, где улитки сразу погибли. При рH=5.3 особи не погибли, но вели абсолютно неактивный образ жизни, достаточно долго адаптировались. Масса улиток в течение четырёх недель изменялась очень незначительно. К началу второй недели эксперимента отмечена гибель тест-объектов. Щелочная среда более благоприятна для улиток. PH данной среды был доведен до значения 7.96. К данной среде особи быстрее привыкли и масса особей изменялась незначительно. К началу второй недели эксперимента также была отмечена гибель тест-объектов. Нейтральная среда, как и предполагалось, наиболее благоприятна для нормальной жизнедеятельности аквариумных улиток. В данной среде гидробионты сразу адаптировались и было зарегистрировано увеличение массы особей.

Проращивание семян семейства бобовых (фасоль (Phaseolus vulgaris) и горох (Pisum sativum)) в водной среде с рН ниже 6 и выше 7 вызывало гибель тест-объектов.

Воздействие свинца в различных концентрациях (2,5%, 1,25% и 0,62%) на развитие проростков семян фасоли (Phaseolus vulgaris) показало следующие результаты. Установлено, что соль свинца в концентрации 2,5% проявляет себя как токсикант, подавляя ростовые процессы, а в концентрации 1,25% усиливает их. Ростовые процессы при концентрации 0,62% сходны с ростом семян в контрольной группе.

Разные концентрации соли свинца (0,25; 0,5; 1; 1,5 мг/л) и соли кадмия (0,0125; 0,025; 0,05; 0,1 мг/л) по разному воздействовали на рост и развитие семян подсолнечника (Helianthus annum L.). Эксперимент продолжался 10 дней, после его окончания определяли длину проростков, количество корешков, листочков, прибавление массы семян уже с проростками. Результаты исследований представлены в таблицах 1, 2.

По отношению к прибавленной в процессе роста проростков массе семян свинец действует угнетающе. Так при увеличении концентрации 0,25; 0,5; 1 мг/л процент увеличения массы семян уменьшается соответственно на 997,1; 267,9; 182,9; 235,9%. При увеличении концентрации кадмия 0,0125 0,025; 0,05; 0,1 мг/л процент увеличения массы семян также уменьшается соответственно 1129; 1293; 1240,5; 789,1%.

Объектом для воздействия комплекса различных веществ (воздействующий агент -средство для мытья автомобиля Car Wash (состав: менее 5% неионогенных ПАВ, менее 20% анионных ПАВ, красители, консерванты)) стали личинки комара-дергунца (Chironomus plumosus) (мотыль). В течение 24 и 48 часов мы наблюдали за подвижностью и изменением окраски тела организмов. Исследовались по три варианта разбавления агента.

Приготавливали автомобильный шампунь в соответствии с рекомендациями на упаковке (100%). В 12 кювет раскладывают по 15-20 особей мотыля, далее добавляют растворы агентов в соответствии со схемой эксперимента (основной раствор -100%, затем разбавляли до 50% и 25%). Также оставили контрольную группу особей в кюветах с водой. Производили наблюдения за внешним видом мотыля, изменения окраски.

Таблица 1-2

Изменения параметров развития семян подсолнечника при воздействии солей свинца и

кадмия в разных концентрациях

Концентрация Показатель Pb 0,25 мг/мл Pb 0,5 мг/мл Pb 1 мг/мл Pb 1,5 мг/мл Вода

Количество корешков 18,8±3,6 12,5±5,9 8,4±3,9 11,3±5,2 22,9±3,2

А, % -17,7 -45 * -63,3* -50,7*

Количество листочков 2,3±0,8 1,4±0,7 0,7±0,3 1,2±0,6 2±0,1

А, % +16,5 -30* -64,5* -40*

Длина проростков, мм 41,9±1,6 68,5±18,3 27,2±9,7 39,3±12,6 37,9±2,1

А,% +10,6* +80,8* -28,2* +3,7

Концентрация Показатель Cd 0,0125 мг/мл Cd 0,025 мг/мл Cd 0,05 мг/мл Cd 0,1 мг/мл Вода

Количество корешков 17,5±6,6 21,6±5,3 24,7±7,9 13,5±2,6 22,9±3,2

А, % + 23,8 + 5,8 + 7,9 - 40,9*

Количество листочков 2,8±0,5 3,0±0,5 3,1±0,5 - 2±0,1

А, % + 40* +47,5* +53* -100 100

Длина проростков, мм 106,7±14,7 124,6±22,5 120,2±17,5 31,9±2,3 37,9±2,1

д,% +181,7* +228,9* +217,3* -15,69* 100

* - изменения достоверны

В кюветах с шампунем через 24 часа умерло 18, 15 и 12 личинок в 100, 50 и 25% растворах соответственно, к концу эксперимента (48 часов) все же остались живые организмы, хотя их было совсем не много - один в 50% растворе и два в 25% растворе. Причиной гибели личинок стало прекращение доступа к кислороду, которое спровоцировало видимо добавление в воду ПАВ (поверхностно активных веществ).

Обобщить результаты, полученные методами биотестирования, допустимо по всем методам в пределах каждого подхода; по всем подходам для каждого вида или группы видов живых организмов; для экосистемы в целом. Это дает надежную суммарную оценку состояния среды и исключает ошибочное заключение, вполне возможное при использовании единичных показателей в отношении отдельных видов.

Создание различных эталонных наборов видов тест-объектов и необходимых тест-реакций для изучения состояния определенных водных объектов является сегодня главной задачей наших дальнейших исследований. Комплексная оценка качества среды обитания, кроме использования разных подходов и тест-объектов биотестирования, подразумевает организацию наблюдений за всеми природными компонентами биосферы.

Литература

1. Актуальные проблемы водной токсикологии / под ред. проф. Б.А.Флёрова. — Борок: Ин-т биологии внутренних вод РАН, 2004. - 375 с.

2. Захаров В. М. Асимметрия морфологических структур животных как показатель незначительных изменений состояния среды /В.М.Захаров // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. — Л.: Гидрометеоиздат, 2001. — Т.4. - с.54-57.

3. Кокорин А.М., Матвеева Г.С., Субботина Н.С. Изучение науплия жаброногого рачка Artemia salina в качестве тест-объекта водной среды, содержащей загрязнители. / Сборник статей VI международной научно-практической конференции "Экология и жизнь", - Пенза, 2003 - С.87.

4. Определение фитотоксичности методом проростков / Н.М.Привалова [и др.] // Успехи современного естествознания. - 2006. - № 10. - С.45.

5. Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://libgost.ru