Оценка экологического состояния вод в нижнем Дону на основе ферментативных показателей

ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2013 №3(8), С. 26-30

_ ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ, РАДИАЦИОННОЙ _

И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ -

УДК502.171 : 546.212

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОД В НИЖНЕМ ДОНУ НА ОСНОВЕ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

© 2013 О.И. Бейсуг

Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного

университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.

Поступила в редакцию 26.08.2013 г.

В данной работе предлагается оценивать экологическое состояние вод в нижнем течении р. Дон на основе ферментативных показателей. Щелочная фосфатаза и неспецифические эстеразы осуществляют взаимосвязь водных организмов со средой обитания и являются информативными для оценки уровня загрязнённости воды соединениями азота, фосфора, нефтепродуктами, фенолами, тяжёлыми металлами.

Ключевые слова: активность щелочной фосфатазы, активность эстераз сестона, ферменты, ферментативные показатели, гидрохимические показатели, экологический мониторинг, загрязнение.

Загрязнение водных экосистем в настоящее время приобрело глобальные масштабы. Для поверхностных вод оно имеет особенное значение, потому что запасы пресных вод на земле ограничены. Дон является основным источником питьевого водоснабжения и является объектом непосредственного воздействия Ростовской АЭС.

С целью оценки экологического состояния вод в Нижнем Дону исследовали взаимосвязи загрязняющих веществ с показателями активностей внеклеточных эстераз (АЭ) и щелочной фосфатазы (АЩФ).

Материал исследований. Работа выполнена по материалам, полученным в комплексных совместных экспедициях с Донской устьевой станцией Росгидромета в нижнем течении р. Дон на участке от г. Аксай до г. Ростов-на-Дону. Пробы воды отбирались на стационарных пунктах и створах гидрохимической сети мониторинга поверхностных вод суши.

Методы исследований. Активность ферментов определяли по оригинальным методикам, разработанным в Гидрохимическом институте [1]. Эти методы основаны на ферментативном гидролизе а-нафтилфосфата щелочной фосфатазой (6) и а-нафтилацетата эстеразами (7) с образованием а-нафтола и последующей реакции азосочетания а-нафтола с РР-солью для получения окрашенного комплекса (8):

Для определения активности ферментов 0,5-1,0 л воды фильтровали через мембранный фильтр с диаметром пор 0,3 мкм, смывали осевший сестон 6-ю мл фильтрата. По 1 мл полученной взвеси сестона помещали в пробирки. Далее для определения активности щелочной фосфатазы в пробирки приливали по 0,5 мл 0,3 моль/л гидрокарбонатного буфера, рН 10,0 и 0,7 мл 0,35 %-ного водного раствора а-нафтилфосфата, для эстераз - 0,5 мл 0,1 моль/л трис-НС1 буфера, рН 7,4 и 0,2 мл 0,25%-ного раствора а-нафтилацетата в этаноле.

Определение активности ферментов в каждом образце воды осуществляли в двух повторностях. Для контроля скорости химического гидролиза субстратов, а также активности растворенных ферментов ставили холостые пробы с фильтрованной водой.

©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013

Инкубационные смеси ферментов с субстратами выдерживали при 30о С в термостате в течение 1,0-2,0 ч для щелочной фосфатазы и 0,5-1,0 ч для эстераз (время инкубации ферментов увеличивали при снижении температуры воды в реке, которое вызывало уменьшение ферментативной активности). После инкубации в каждую пробирку приливали по 0,2 мл 0,1 %-ного раствора РР-соли для связывания образовавшегося в результате ферментативной реакции а-нафтола в окрашенный комплекс. Через 3 мин в пробирки для определения активности щелочной фосфатазы приливали по 0,4 мл раствора, содержащего 10% №ОИ и 60% глицерина, 2 мл дистиллированной воды и 2 мл ацетона, для определения активности эстераз - по 0,4 мл 5 %-ного раствора трихлоруксусной кислоты и 3 мл ацетона. Взвесь водорослей отфильтровывали через бумажный фильтр. Окрашенные растворы фотометрировали при 530 нм для щелочной фосфатазы и Х=460 нм для эстераз. Активность обоих ферментов (А) рассчитывали в мкмоль/(л-ч) а-нафтола по формуле:

ШУ1

А =

144 У2УТ

где Ш - масса образовавшегося а-нафтола, мкг,

VI - объем взвеси сестона пробы воды, мл (6 мл),

144 - молярная масса а-нафтола, г/ моль,

v2 - объем взвеси сестона, приливаемый в пробирку, мл,

У - объем профильтрованной пробы воды, л,

Т - время инкубации, ч.

Используемая методика определение активности ферментов аттестована в соответствии с существующими правилами (РД 52.24.517-2007). Погрешность методики определения активности щелочной фосфатазы сестона в диапазоне низких значений, от 0,02 до 0,10 мкмоль/(л ч) а-нафтола, составляет 33 %, в диапазоне высоких значений, свыше 0,01 до 4, 00 мкмоль/(л ч) а-нафтола - 16 %. Методика определения активности эстераз сестона более точная и в широком интервале значений, от 0,15 до 13,00 мкмоль/(л ч) а-нафтола, ее погрешность не превышает 10 %.

Концентрации различных форм фосфора и азота, общего железа, АСПАВ и БПК5 определяли по стандартным методикам, используемым в системе Росгидромета.

Методы определения активности щелочной фосфатазы и эстераз сестона экспрессны, применимы в полевых условиях. Воспроизводимостъ методов 11% и, соответственно, 12%.

Учитывая тот факт, что между активностью ферментов и концентрациями загрязняющих веществ в р. Дон выявлялись, в основном, положительные коэффициенты корреляции, было проведено сопоставление активности ферментов с индексами загрязненности воды, которые рассчитывали по формуле:

УС /ПДКп ,

п

где Сп - концентрация загрязняющего вещества, п - количество загрязняющих веществ.

Рассчитывали три варианта индексов загрязненности. В первый (ИЗВ1) вошли медь, цинк и БПК5, во второй (ИЗВ2) добавилась растворенная ртуть, в третий (ИЗВ3) -

28

БЕЙСУГ

нефтепродукты. Коэффициенты корреляции, рассчитанные для общей и удельной активности ферментов, представлены в таблице 1. Для большинства сезонов выявлены высокие положительные коэффициенты корреляции с ИЗВ1 (рис. 1 и 2). Добавление ртути и нефтепродуктов в расчет ИЗВ снижало коэффициенты корреляции с активностью ферментов, в особенности с эстеразами, до статистически незначимых. В отдельные периоды наблюдалась отрицательная корреляция между активностью ферментов и ИЗВ2. Эти результаты свидетельствуют о взаимодействии различных загрязняющих веществ, которые, как известно, могут снижать или увеличивать негативные эффекты на водные организмы.

т

ч

о

«

Ч о

н -&

а X

9

В

<

2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

у = 0,40х - 0,21 г = 0,52

12 ИЗВ 1

-Г"

3

т 2,5 п

ч

«2,0 -

ч о 1,5 -

-е-

я 1,0 -

в В 55 0,5 -

< 0,0 -1

—I— 10

у = -0,024х + 0,93 г = - 0,46

-1-

20 ИЗВ 2

30

40

В"

¡5 ч

о

г л г

л

6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00

V»

• у = 0,96х + 1,22 г = 0,47

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 ИЗВ 1

6

? 5 «

7Э  4

Ч н

I 1Г 3

§ £ 2 , О

< 1 0

у = -0,09х + 4,53 г = - 0,65

10

20 ИЗВ 2

30

40

4,00

в

? 3,00 А

Рн -

-Н 2,00

О

В 1,00 -<

0,00

у = 0,054х + 1,66 г = 0,69

0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 ИЗВ 1

4,00 § 3,00 ^ 2,00 -% 1,00 0,00

у = 0,014х + 1,49 г = 0,63

0,00 50,00 100,00 150,00 ИЗВ 1

Рис. 1. Зависимость между показателями активности ферментов и индексами загрязнения воды

в нижнем течении р. Дон в июле-сентябре 2002 г.

0

4

0

0

1,00 «0,80

0,60 "I 0,40 ^ 0,20 0,00

у = 0,095х + 0,25 6,00 -|

" г = 0,62 ' я 5,00 -

• • ^^^ 4,00 -

* ^^^^ ^ 3,00 -

9 • ™ * ^ 2,00 -Я

- ^ 1,00 -

1 1 1 0,00 -

0,00

2,00 4,00 ИЗВ 1

6,00

0,00

у = 0,51х - 0,09 г = 0,69

5,00 ИЗВ 1

10,00

8 8,00 еэ

6,00 4,00 -2,00 0,00

0,00

у = -0,83х + 7,47 г = - 0,60

2,00 4,00 ИЗВ 2

6,00 8,00

8 8,00 п и

Рч 6,00 --

4,00 2,00

е В

< 0,00

0,00

у = 0,05х + 2,51 г = 0,84

50,00 ИЗВ 2

100,00

л

ев 5,00 -

ч о н 4,00 -

чв 3,00 -

Я 2,00 -

1,00 -

0,00 -1

у = 0,15х + 2,64 г = 0,43

0,00

5,00 ИЗВ 3

10,00

а са

№ -

Г) <

50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00

у = 0,93х + 25,03 г = 0,52

0,00 5,00

10,00 15,00 20,00 ИЗВ 3

Рис. 2. Зависимость между показателями АЩФ и индексами загрязнения воды

в дельте р. Дон в мае-июле 2003 г.

Таблица 1. Коэффициенты корреляции между активностью ферментов и индексами загрязненности воды

Период наблюдений Число наблюдений п Индексы загрязненности воды АЩФ АЭ АЩФ мг Рвзв АЭ мг Рвзв

Июль-сентябрь 30 ИЗВ1 0,52* 0,47* 0,69* 0,63*

2002 г. ИЗВ2 -0,36 -0,65* -0,31 -0,37*

Июль-октябрь 40 ИЗВ1 0,45* 0,47*

2002 г. ИЗВ2 -0,05 -0,12

ИЗВ1 0,62* -0,26 0,69* -0,01

Май-июль 20 ИЗВ2 0,28 0,44* 0,34 0,52*

2003 г. ИЗВз 0,28 0,43* 0,35 0,52*

30

БЕЙСУГ

Исследуемый участок реки по данным Росгидромета относится к 3-ему классу качества воды «загрязнённая» - загрязнен на всем протяжении. Активность ферментов на выбранном участке реки систематически контролировали значения БПК5 и железа общего, периодически -концентрации меди и цинка. Концентрации железа и цинка не превышали ПДК, концентрации меди составляли 1-3 мкг/л, что является фоном для дельты Дона. В некоторых пробах значения БПК5 превышали допустимые [2].

По данным гидробиологического мониторинга состояние экосистемы всего исследованного участка дельты Дона по фитопланктону и зоопланктону оценивалось как экологическое напряжение [3, 4]. Численность бактериопланктона, как показали данные собственных исследований, соответствует состоянию экологического напряжения с элементами экологического регресса, которое должно сопровождаться увеличением интенсивности метаболизма гидробиоценозов. Таким образом, ферментативные показатели, свидетельствуя о повышенной скорости круговорота фосфора и углерода в экосистеме дельты Дона, адекватно оценивают уровень метаболизма планктонных сообществ и позволяют выявлять наиболее напряженные ситуации и могут быть использованы в мониторинге поверхностных вод Цимлянского водохранилища и водоёма-охладителя территории воздействия Ростовской АЭС.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Предеина, Л.М. Методы определения активности внеклеточных эстераз и щелочной фосфатазы сестона и возможности их использования для оценки уровня евтрофирования и загрязнения пресноводных экосистем : автореф. дис. канд. хим. наук [Текст] / Л.М. Предеина. - Ростов н/Д, 1992.

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. 29-32.

3. Качество поверхностных вод Российской Федерации [Текст] / Росгидромет ; Гидрохим. ин-т ; гл. ред. А. М. Никаноров. - Ростов н/Д, 2003. - 355 с.

4. Качество поверхностных вод Российской Федерации [Текст] / Росгидромет ; Гидрохим. ин-т ; гл. ред. А. М. Никаноров. - Ростов н/Д, 2004. - 355 с.

Estimation of Ecological State of Water in the Lower Don on the Basis of Enzymatic Indicators

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 paper it is proposed to evaluate the ecological state of water in the lower reaches of the river Don based on enzymatic indicators. Alkaline phosphatase and nonspecific esterase carry out the relationship of aquatic organisms with the environment. They are also informative to assess the level of water contamination by nitrogen compounds, phosphorus, oil products, phenols, heavy metals.

Keywords: alkaline phosphatase activity, the activity of the esterases seston, enzymes, enzymatic indicators, hydrochemical indicators, environmental monitoring, pollution.