Взаимосвязь биологических и химических дескрипторов в оценке качества воды на примере бассейна Р. Енисей

УДК 574.64:57.017.3 И.А. Гибенко

ВЗАИМОСВЯЗЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ ДЕСКРИПТОРОВ В ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА ВОДЫ НА ПРИМЕРЕ БАССЕЙНА р. ЕНИСЕЙ

Научные исследования, представленные в статье, отражают взаимосвязь биологических и химических дескрипторов в оценке качества воды. Для выявления взаимосвязи химических и биологических показателей на отобранных пробах воды было проведено биотестирование по комплексу стандартных тест-объектов (рачки, водоросли) и количественный химический анализ на ряд показателей.

Ключевые слова: гидробиология, биотестирование, объект тестирования, химический анализ, токсичность.

I.A. Gibenko

THE INTERRELATION OF THE BIOLOGICAL AND CHEMICAL INDICES IN THE WATER QUALITY EVALUATION ON THE EXAMPLE OF THE YENISEY RIVER BASIN

The scientific research results represented in the article reflect the interrelation between biological and chemical indices used in the water quality evaluation. Samples of the water were biotested with the standard test objects (Ceriodaphnia Affinis, Chlorella Vulgaris, Scenedesmus Quadricauda) and chemically analysed for several qualitative characteristics to find out the interrelation between biological and chemical indices.

Key words: hydrobiology, biotesting, test object ,chemical analysis ,toxicity.

Введение. Сточные воды образуются в результате хозяйственно-бытовой и производственной деятельности человека. Они тем или иным путём попадают в воды закрытых водоёмов, рек, морей и океанов, где сосредотачивают всё многообразие вредных веществ.

Состав поверхностных вод динамично изменяется во времени, происходит взаимодействие загрязнителей между собой с образованием новых, зачастую более токсичных веществ, чем анализируемые показатели.

Оценку токсичности воды можно провести с помощью биотестирования, которое определяет токсичность водной среды по биологическим объектам или процессам в стандартных условиях. Результаты биотестирования оперативно сигнализируют об опасном воздействии антропогенного загрязнения на жизнедеятельность водных организмов, оценка воздействия производится не по отдельным компонентам, а по их суммарному содержанию, часто неизвестной природы и не выявляемых другими химическими методами анализа [4].

Целью данной работы является токсикологическая оценка качества сточных вод, поступающих в реку Енисей, с применением различных тест-объектов и количественного химического анализа.

Материалы и методы исследований. В работе для анализа сточной воды было выбрано 3 выпуска предприятий в бассейн р. Енисей: № 1 - сточные воды энергообразующего предприятия, поступающие с различными химическими элементами; № 2 - хозяйственно-бытовые (канализационные) стоки и стоки с предприятий города Красноярска, содержащие фториды, алюминий, фосфаты, нефтепродукты; № 3 - сточные воды животноводческих комплексов, представляющие собой общий канализационный сток, состоящий из жидкого навоза, производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод, силосного сока и ливневых вод [2-3].

Токсичность сточных вод определяли по двум тест-объектам из разных систематических групп в соответствии с аттестованными методиками:

1. «Методика определения токсичности проб поверхностных пресных, грунтовых, питьевых, сточных вод и отходов по изменению оптической плотности культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris beijer)». ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04/16.1:2:3.7-04 [6].

Критерием токсичности пробы является снижение средней величины оптической плотности по сравнению с контрольным вариантом на 20% и более в случае подавления роста тест-культуры (приводится со знаком «+») или ее повышение на 30% и более - при стимуляции ростовых процессов («-«).

2. «Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний (Ceriodaphnia affinis)». ФР.1.39.2007.03221 [5].

Методика основана на определении двух показателей тест-культур - смертности (острое токсическое действие) и изменений в плодовитости цериодафний (хроническое токсическое действие) при воздействии токсических веществ, присутствующих в исследуемой водной среде, по сравнению с контрольной культурой в пробах, не содержащих токсических веществ (контроль).

Результаты и их обсуждение. Предприятие № 1 - сбросной канал в р. Енисей.

Чтобы определить, как изменяется реакция тест-объекта от более высокой к низкой концентрации, были проведены эксперименты на 100, 50, 25, 10, 5, 1, 0,5% концентрациях сточной воды. Результаты показали, что только не разбавленная сточная вода предприятия № 1 оказывает острое токсическое действие на тест-объект Chlorella vulgaris, ингибируя ее рост (+21,4%). По мере понижения концентрации от 50 до 0,5% сточная вода перестает оказывать острое токсическое действие. На рачковом тесте не обнаружено ни острого, ни хронического токсического действия.

Предприятие № 2 - выпуск с очистных сооружений.

Результаты показали, что при разбавлении в 20 раз сточная вода предприятия № 2 оказывает острое токсическое действие, оцениваемое по оптической плотности культуры водоросли, стимулируя (-33,7%) рост тест-культуры. Только при разбавлении в 100 раз сточная вода не оказывает острое токсическое действие. На рачковом тесте не обнаружено ни острого, ни хронического токсического действия.

При действии сточных вод (выпуск с очистных сооружений) рачковой тест (Ceriodaphnia affinis) не выявил острого токсического действия, так как не достигнуто пороговое значение 50% гибели за 48 часов.

Из равенства ^0,31 < tor 2,10 следует, что снижение в плодовитости носит случайный характер (табл. 2). Можно сделать вывод, что исследуемая вода не оказывает на цериодафний хронического токсического действия.

Предприятие № 3 - выпуск с очистных сооружений.

При 100, 50% концентрациях сточной воды острое токсическое действие не наблюдается, так как величина индекса оптической плотности (I=-15,4%) не достигает порогового значения I=-30%. Было обнаружено, что при действии малых концентраций токсический эффект становится более сильным. Например, при разбавлении в 4 раза сточная вода оказывает острое токсическое действие, оцениваемое по оптической плотности культуры водоросли, стимулируя (-48,4%) рост тест-культуры. Только при разбавлении в 100 раз сточная вода не оказывает острое токсическое действие.

Определение токсичности по выживанию в качестве тест-объекта цериодафний (Ceriodaphnia af-finis). При действии сточных вод (выпуск с очистных сооружений) в эксперименте не обнаружено острого токсического действия, так как не достигнуто порогового значения 50% гибели за 48 часов.

В хроническом эксперименте наблюдалась гибель 20% тест-организмов в исследуемой воде по сравнению с контролем. Так как полученное значение превышает критерий Стьюдента №13 Нот 2,10, то выявленные различия в плодовитости цериодафний в тестируемой воде и контроле достоверны. Следовательно, исследуемая вода оказывает на цериодафний хроническое токсическое действие.

Результаты количественного химического анализа. Также была проведена оценка содержания химических элементов в сточных водах на базе отдела лабораторного анализа загрязнений водных ресурсов ФГУ «Цла-ти по Сибирскому ФО» - Центра лабораторного анализа и технических измерений по Красноярскому краю.

Предприятие № 1

Анализ полученных данных показывает, что сточные воды предприятия № 1 характеризуются превышением предельно допустимой концентрации (ПДК) по алюминию. Также превышает ПДК химическое потребление кислорода (в 1-й пробе), медь (в 1-й пробе), марганец (в 3-х пробах), хром шестивалентный (в 3-х пробах).

Предприятие № 2

В сточных водах предприятия № 2 во всех пробах превышен ПДК по концентрации азота аммонийного, азота нитритного, азота нитратного, фосфатов и хлоридов. Концентрация взвешенных веществ (превышает ПДК) в 7-ми пробах. Превышение ПДК по следующим элементам: цинк (в 4-х пробах), медь (в 7-ми пробах), марганец (в 5-ти пробах), жиры (в 6-ти пробах).

Предприятие № 3

Содержание взвешенных веществ, превышающих ПДК, отмечается в 2-х пробах. Превышение ПДК по алюминию (1-я проба), хлоридам (1-я проба). Во всех пробах превышает ПДК концентрация сульфатов, железа и азот нитрата. По отношению к значениям ПДК превышена концентрация азота аммонийного (в 4-х пробах) [1; 7-9].

Сопоставимость результатов количественного химического анализа и биотестирования. Феномен различной чувствительности водных организмов к токсическому воздействию хорошо известен в водной токсикологии. Поэтому для своих исследований мы взяли тест-объекты из разных систематических групп: Chlorella vulgaris Beijer и Ceriodaphnia affinis.

45

Таблица 1

Превышение предельно допустимой концентрации алюминия и токсичность тестируемой воды

по месяцам (проба № 1-12). Предприятие № 1

Наименование компонента Число раз, превышающих предельно допустимую концентрацию

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Алюминий 2,5 2,2 2,75 2,75 2,25 2,5 2,25 2,5 2,75 2,5 2,2 2,2

Величина разбавлений тестируемой воды, при которой не превышен критерий токсичности В 2 В 2 В 2 В 2 В 2 В 2 В 2 В 2 В 2 В 2 В 2 В 2

Таблица 2

Превышение предельно допустимой концентрации фосфатов и токсичность тестируемой воды

по месяцам (проба № 1-11). Предприятие № 2

Наименование компонента Число раз, превышающих предельно допустимую концентрацию

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Фосфаты 3,4 4,5 4,8 3,8 5,2 4,7 4,9 5,4 4,1 4,0 4,2

Величина разбавлений тестируемой воды, при которой не превышен критерий токсичности В 20 В 20 В 20 В 20 В 20 В 20 В 20 В 10 В 10 В 20 В 20

Таблица 3

Превышение предельно допустимой концентрации азотной группы, сульфатов и токсичность тестируемой воды

по месяцам (проба № 1-9). Предприятие № 3

Наименование компонента Число раз, превышающих предельно допустимую концентрацию

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Азот аммонийный В норме 1,1 1,4 В норме В норме В норме В норме 1,2 В норме

Азот нитратный 1,9 4,1 3,6 2,7 4,0 3,1 2,0 3,1 2,5

Сульфаты 1,04 1,5 1,5 1,5 1,3 1,1 1,04 1,3 1,2

Величина разбавлений, не превышающая критерий токсичности В 4 в 20 в 10 в 20 в 20 в 20 в 4 в 10 в 20

Характер токсического действия различался в пробах воды, отобранных с разных предприятий. Анализируя выбранные стоки, поступающие в бассейн р. Енисей, можно сказать, что наименьшая токсичность сточной воды характерна для предприятия № 1. Сточные воды предприятий № 2-3 указывают на нарушение установленных требований к качеству воды, так как оказывают острое токсическое действие на биотесты. Токсические свойства воды обусловлены присутствием в ней токсичных загрязняющих веществ. Например, на предприятии №1 превышение алюминия по предельно допустимой концентрации (ПДК) в неразбавленной сточной воде подавляет рост численности клеток водоросли Chlorella vulgaris, при разбавлении же в 2 раза (табл. 1) сточные воды перестают оказывать острое токсическое действие.

Предприятие № 2 - хозяйственно-бытовые (канализационные) стоки и стоки с предприятий города Красноярска. Превышение предельно допустимой концентрации по фосфатам в 2-4 раза (табл. 2). По результатам биотестирования острое токсическое действие вызывает стимуляцию роста численности клеток водоросли Chlorella vulgaris. Только при разбавлении в 100 раз сточная вода не оказывает острое токсическое действие.

В пробах предприятия № 3 превышение ПДК по элементам незначительны (табл. 3) по сравнению с предприятием № 2 (табл. 2), но при биотестировании обнаружено острое токсическое действие. Предположительно, здесь имеет место явление синергического действия химических элементов.

Выводы

1. Результаты химико-биологических сопоставлений позволяют считать, что превышение предельно допустимой концентрации по азотной группе вызывают стимуляцию роста численности клеток водоросли Chlorella vulgaris, о чем свидетельствует высокий уровень токсичности сточной воды предприятий № 2-3.

2. Во всех пробах предприятия № 1 при превышении предельно допустимой концентрации алюминия наблюдалось снижение роста численности клеток водоросли Chlorella vulgaris.

3. Общую оценку токсичности пробы делали по наиболее чувствительному биотесту («наихудшему результату»). При этом использованные в эксперименте водоросли Chlorella vulgaris оказались высокочувствительными в сравнении с низшими ракообразными Ceriodaphnia affinis.

4. Токсические свойства сточной воды указывают на нарушение установленных требований к качеству воды по биотестовым показателям.

5. Для выяснения причин токсичности сточной воды в пробах с отсутствием превышений предельно допустимых концентраций считаем необходимым проведение дальнейшего анализа с внесением определенных элементов, их соединений на культивационной и дистиллированной воде и сравнения их с результатами сточной воды.

Литература

1. Адаптационно-токсикологические аспекты комбинированного действия фенола, меди и кадмия на зеленые микроводоросли / Л.Д. Гапочка, С.Е. Плеханов, В.Н. Максимов [и др.] // Вестн. МГУ. - 1995. -№ 3. - С. 41-46.

2. Характеристика сточных вод животноводческих комплексов и их роль в загрязнении природных вод / А.С. Демченко, М.Н. Тарасов, Т.А. Тарасова [и др.]. - Л.: Гидрометиздат, 1984. - С. 100-115.

3. Жмур, Н.С. Государственный и производственный контроль токсичности вод методами биотестирования в России / Н.С. Жмур. - М.: Междунар. дом сотрудничества, 1997. - 115 с.

4. Крайнюкова, А.Н. Система токсикологической оценки и контроля источников загрязнения водных объектов / А.Н. Крайнюкова // Биотестирование в решении экологических проблем. - СПб., 1992. - С. 46-62.

5. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний: ФР.1.39.2007.03221. - М.: Акварос, 2007. - 57с.

6. Методика определения токсичности проб поверхностных пресных, грунтовых, питьевых, сточных вод и отходов по изменению оптической плотности культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris beijer): ПНД ФТ 14.1:2:3:4.10-04/16.1:2:3.7-04. - M., 2007. - 30 с.

7. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. - М.: ВНИРО, 1999. - 304 с.

8. Справочник по гидрохимии / под ред. А.М. Никанорова. - Л., 1989. - 391 с.

9. СанПиН 2.1.5.1315-03 «Гигиенические нормативы. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования».

'--------♦-------------

УДК 581.526 И.С. Майоров, В.П. Селедец, Н.С. Пробатова

ЭКОАРЕАЛЫ ВИДОВ РАСТЕНИЙ В АДАПТИВНЫХ ЗОНАХ*

В статье показано, что в экотоне глобального масштаба - переходной зоне «континент - океан» - экологический ареал (экоареал), как система экологических координат, в которой возможно существование вида, испытывает перестройку по всем параметрам. Эти процессы проявляются и на кариологи-ческом уровне, что свидетельствует об их фундаментальном значении для биогеографических и эволюционных исследований.

Ключевые слова: экологический ареал, адаптивная зона, виды растений, биогеографические и эволюционные исследования.

I.S. Mayorov, V.P. Seledets, N.S. Probatova PLANT SPECIES ECOLOGICAL RANGE IN THE ADAPTIVE ZONES

The article shows that in the ecotone of the global value - that is in the trasitional zone «land-ocean» - ecological range as a system of the ecological coordinates where species existance is possible, experiences all parameter change. These processes take place at the cariological level too, which testifies to its fundamental importance for the biogeografical and evolutional research.

Key words: ecological range, adaptive zone, plant species, biogeografical and evolutional research.

Важнейшая адаптивная зона на российском Дальнем Востоке (РДВ) - переходная зона от материка к океану. Зона контакта «континент-океан» - это экотон глобального масштаба, он рассматривается нами как область трансформации экологических ареалов видов, что является необходимым условием освоения разнообразных местообитаний береговой зоны. Со стороны моря береговая зона совпадает с границей шельфа (в отдельных районах - с границей супралиторали), а со стороны суши - ограничивается водоразделом водотоков первого порядка, впадающих в морской бассейн. Особенность этой зоны - динамичность растительного покрова, обусловленная напряженностью геодинамических процессов, и уязвимость его при антропогенных воздействиях.

По сравнению с внутриконтинентальными или, по крайней мере, более или менее удаленными от морских побережий территориями, на морских побережьях действует специфический комплекс экологических условий. Определяющее значение морской воды, засоления, роль ветра, как экологического фактора, находят отражение в анатомо-морфологических и биологических особенностях видов прибрежноморской флоры и в распределении растительных сообществ по склонам разных ветровых экспозиций. Расселение видов приморской флоры в значительной мере определяют, как засоление, так и неблагоприятный температурный режим, охлаждающее и иссушающее действие зимних ветров. Эти наблюдения согласуются с результатами исследований, которые показали, что жизнеспособность видов приморской флоры усиливается в условиях засоления. Расселение их обусловливается комплексом взаимодействий между солеустойчиво-стью и чувствительностью к холоду, что особенно влияет на созревание семян.

Концепция экоареала вида. Предложенная концепция экологического ареала вида является логическим продолжением метода экологических шкал Л.Г. Раменского [1]. Она исходит из того, что экологический

* Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований: проекты 01-04-49430, 04-04-49750, 07-04-00610.