Использование растительных тест-систем в мониторинге экологического состояния водных объектов реки Салгир

УДК 502.65 : 631.67.03

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ТЕСТ-СИСТЕМ В МОНИТОРИНГЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ РЕКИ САЛГИР

Поступила 23.10.201 7 г.

© Иванютин Николай Михайлович, Подовалова Светлана Владимировна

Федеральное государственное бюджетно научное учреждение

«Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма», г. Симферополь, Республика Крым, Россия

USE OF VEGETATIVE TEST SYSTEMS IN MONITORING OF THE ECOLOGICAL STATUS OF WATER BODIES OF THE SALGIR RIVER

Received on October 23, 2017

© Ivaniutin Nikolai Mikhailovich, Podovalova Svetlana Vladimirovna

Research Institute of Agriculture of Crimea, Simferopol, Russia

Основная цель исследований - определение экологического состояния вод реки Салгир и возможности их использования для целей орошения, с применением метода биотестирования. Для этого были выбраны створы по длине реки подвергающиеся различной по интенсивности антропогенной нагрузке, а также очищенные сточные воды, сбрасываемые с канализационно - очистных сооружений г.Симферополя. Биотестирование заключалось в проращивании семян тест-растений в исследуемых водах и сравнении длины корневой системы с контролем на дистиллированной воде. В качестве тест-растений использовались семена редиса и кресс-салата. Фитоток-сичность тестируемых вод проявилась в ин-гибировании развития корневой системы тест-растений, которая в контакте с исследуемыми водами развивалась с торможением роста, что свидетельствует о присутствии вредных веществ в воде, оказывающих токсическое действие на развитие растений. Наибольшую чувствительность к поллютантам проявил кресс-салат показавший максимальный ингибирующий эффект развития корней в 41,8 %, по сравнению с контролем. Эксперимент показал перспективность использования тест-растений, с краткосрочным контактом с исследуемыми водами, в качестве чувствительного критерия для биотестирования загрязненности поллютантами как природных, так и очищенных сточных вод.

Ключевые слова: река Салгир, мониторинг, биотестирование, био-индикатор, редис, кресс-салат, токсичность.

The main objective of researches is the definition of the ecological status of water bodies of the Salgir River using bioas-say technique. The main goal is to define the feasibility of using these waters for irrigation. For this purpose the base alignments were chosen on the river, exposed on different intensity of anthropogenic loads, and also the treated wastewater from sewerage facilities of Simferopol. The bioassay technique presented growing seeds of test plants in the studied waters and following comparison of the length of their root system with the same seedlings grown in the distilled water. Garden radish and garden cress seeds were chosen as test plants seeds. The phytotoxicity of the tested waters was shown in inhibition of the root system development of test plants. The root system in contact with the studied waters has been developing more slowly, what proves the presence of harmful substances in testing waters, and shows their toxic effect on the plants developing. The biggest sensitivity to pollutants showed the garden cress, which had the maximal inhibiting effect of roots development of 41.8%, in comparison to the monitoring in distilled water. The experiment showed the prospects of use of test plants, with their short-term exposure with the studied waters, as a reflective criterion for bioassay testing of pollution of the natural and treated sewage waters.

Keywords: the Salgir River, monitoring, biological testing, bio-indicator, garden radish, garden cress, toxicit.

Введение. Возрастающее загрязнение поверхностных и подземных водных ресурсов Крыма является экологической проблемой, которая еще больше обострилась после перекрытия Северо-Крымского канала и увеличением использования только местных источников водоснабжения. Для Крыма проблема недостатка пресной воды всегда была актуальной из-за засушливого климата и особенностей развития речной сети. Поверхностные воды имеют очень большое хозяйственно-питьевое и сельскохозяйственное значение [1].

Выбор в качестве объекта исследования реки Салгир, основывался на том, что антропогенное воздействие на бассейн реки остаётся высоким и, учитывая рост численности населения полуострова и увеличивающиеся масштабы освоения территории, снижение негативного воздействия не представляется вероятным. Это, в свою очередь, будет вызывать снижение экологического благополучия водных объектов и деградацию водных экосистем [2]. Выбор предмета исследования основывался на том, что в последние годы использование растений для проведения биотестирования водных сред применяется в различных областях мониторинга окружающей среды.

Весь перечень химических веществ, содержащихся в воде, определить сложно, а особенно тяжело установить их совместное воздействие в виде токсического эффекта на выращиваемые растения, поэтому в настоящее время возрастает потребность в использовании биотестов, которые способны оперативно давать токсикологическую характеристику различных вод (природных, подземных, сточных др.). В 1991 г. биотестирование введено как обязательный элемент контроля качества поверхностных вод, что предусмотрено «Правилами охраны поверхностных вод» [3]. Учитывая необходимость использования для целей орошения вод рек, проводят химический анализ на содержание различных веществ и особенно их токсичности. Однако из-за большого количества необходимых для определения показателей и, в следствии с этим высокой ценой данных исследований, в практике широко используется метод биотестирования.

Материалы и методы. Экспериментальная часть исследования была прове-

дена 19-22 июня и 07-10 августа 2017 года в отделе «Водосбережения, мониторинга и альтернативного водообеспече-ния» ФГБУН «НИИСХ Крыма». Опыты производились согласно СанПиН 2.1.7.573-96 [4, Приложение 10].

Данный вид биотестирования относится к кратковременному (проращивание семян сельскохозяйственных культур в течение 72 часов) и позволяет определить острое токсическое действие исследуемых вод на развитие проростков растений. Показателем является средняя длина развития корневой системы в тестируемой воде по сравнению с контролем.

Исследования проводили в лаборатории при температуре в помещении: 1922.06.2017 г. - 25...26 оС; 07-10.08.2017 г. - 30-33 оС. Закладка опытов проводилась в четырехкратной повторности.

Точки отбора образцов воды. Пробы воды отбирались в семи пунктах реки Са-лгир, в которых с 2016 года проводится мониторинг качественного состава воды с последующей оценкой их пригодности для целей орошения. Месторасположение точек пробоотбора представлено на рисунке 1. В качестве тест-контроля использовалась дистиллированная вода.

Рис. 1. Карта-схема расположения точек отбора проб воды из реки Салгир

Подготовка проб воды для проведения биотестирования и химического анализа. Пробы были разделены на две части: одна была использована для биотестирования, вторая передана в лабораторию агрохимических иссле-дований ФГБУН «НИИСХ Крыма» для выполнения химического анализа, результаты ко-

торого представлены в таблице. В тестируемых пробах воды определялись следующие показатели: минерализация, взвешенные вещества, рН, НСО3-, С1-, 8042-, Ы03-, Са2+, Ыд2+, К+, Ыа+ Результаты оценки проб воды, согласно почвен-но-мелиоративной классификации,

представлены на рисунках 2... 5.

Результаты химического анализа проб воды, мг/дм3

№ точки Минерализация Взвеш. вещ-ва рН НСО3- с1- Са2+ К+ NO3- SO42-

L9.06.2017 г.

1 274 5,0 8,34 275 34 96 13 2 10 2,6 17

2 306 4,88 8,48 216 44 106 23 3 16 4,3 27

3 586 3,62 8,40 323 74 172 22 4 49 18 48

4 660 4,00 8,63 348 88 180 22 5,5 55 19 60

5 620 10,46 8,30 305 94 146 18 10 65 30 53

6 648 8,00 8,58 329 84 192 36 8 68 27 60

7 662 12,00 7,96 397 91 160 14 9 73 25 68

8 5 0 5,50 0 0,02 0,80 0 0 0 0,20 0,50

07.08.2017 г.

1 256 3 8,42 171 35 50 11 1,5 8 3 3

2 290 122,5 8,50 183 60 74 16 4 12 2 36

3 544 0,99 8,77 335 84 112 23 5 40 14 51

4 594 5,94 8,82 366 83 120 25 5 45 16 78

5 550 2,00 8,67 305 98 100 25 16 60 13 51

6 554 15,00 8,62 335 84 108 34 12 49 16 52

7 582 9,90 8,77 342 94 110 24 12 53 14 48

8 5 0 5,50 0 0,02 0,80 0 0 0 0,20 0,50

1 класс воды

2 класс воды

700

§ 600 н

й 500 § 400 | 300

I 200

ср

8 100

н

§ 0

точка точка точка точка точка точка точка 1 2 3 4 5 6 7 ^^19.06.2017

Рис. 2. Динамика значений минерализации в водах реки Салгир, мг/дм3

120

СО

ч 100

FH

й 80

н

о Ч" 60

S

ft 0 40

Ц

X 20

2 класс воды

1 класс воды

-1-1-1-1-г-

точка точка точка точка точка точка точка 1 2 3 4 5 6 7 —^19.06.2017 07.08.2017

Рис. 3. Динамика концентрации хлоридов в водах реки Салгир, мг/дм3

0,7

й 0,6

о

0,5 -0,4 0,3 -0,2 0,1 -0

2 класс воды

1 класс воды

й

0) Н И 0)

0

о

И

т о о

О

точка точка точка точка точка точка точка 1 2 3 4 5 6 7 —^19.06.2017 07.08.2017

Рис. 4. Динамика соотношения Ка+/Са2+ в водах реки Салгир и опасность натриевого осолонцевания

15

10

очень жесткая

а п

* $

Ф ^ В ы

м 3

е ч а н

СО

точка точка точка точка точка точка точка 1 2 3 4 5 6 7 —^19.06.2017 —^07.08.2017

Рис. 5. Динамика показателя жесткости вод реки Салгир, мг-экв/л

Анализируя рисунки 2...5, можно сделать вывод о том, что качество исследуемых вод 19.06.17 было лучше, чем 07.08.17. Также из рисунков видно, что качество вод от верхних створов к нижним ухудшалось, что свидетельствует о повышении антропогенной нагрузки на водные объекты вниз по течению реки. В результате оценки химического состава вод можно сделать вывод, что в створах 1 и 2 воды относились к I классу, а после прохождения через урбанизированную территорию г. Симферополь стали относиться ко II классу.

Согласно приведенным расчетным данным, представленным на рисунке 5, опасение вызывает повышенная жесткость воды. Если характеризовать жесткость согласно СанПиН 2.1.4.1175-02 [5], то данный показатель воды во всех точках наблюдений за исключением створов 1 и 2, превышал норматив в 7 мг-экв/л. А во время проведения опытов 19.06.17 г. в точках № 3, 4, 6 превышал значение в 10 мг-экв/л. Это свидетельствует о том, что в случае использования данных вод для целей орошения, без предварительной подготовки, возможно негативное воздействие на почву и растения.

Проведенная оценка качественного состава проб, с использованием разных методик, основанная на изучении сокращенного химического анализа воды, не способна дать корректную оценку токсичности вод реки Салгир. Также по ней нельзя судить о влиянии веществ и соединений (тяжелые металлы, пестициды и т.д.) находящихся в воде, на живые организмы и растения (при использовании данных вод для орошения), так как даже нетоксичные соединения при комбинированном действии могут вызывать значительный фитотоксический эффект. Поэтому на следующем этапе исследований было проведено биотестирование по проращиванию семян редиса и кресс-салата на исследуемых водах реки Салгир.

Фитотест основан на способности семян адекватно реагировать на экзогенное химическое воздействие путем изменения интенсивности прорастания корней, что позволяет длину последних принять за показатель тест -функции. Критерием вредного действия считается ингибирование роста корней семян.

Результаты и обсуждения. Проведение биотестирования. До проведения основного опыта нами были проведены пробные испытания, основанные на стандартной методике, изложенной в [4] с хаотичной укладкой 30-50 шт. семян в одну чашку Петри и усовершенствованным вариантом данной методики, изложенной в Патенте №2402765 РФ (схематическая укладка 12 семян в одной чашке Петри). Пример укладки семян приведен на рисунке 6.

а

б

Рис. 6. Схема размещения семян в чашке Петри: а) по СанПиН 2.1.7.573-96; б) по Патенту №2402765

По результатам пробных испытаний, был выбран метод укладки семян по Патенту, с целью снижения трудоемкости при проведении измерений и повышения точности результатов тестирования семян растений (предотвращение переплетения корней).

Перед закладкой опытов проводили подготовку семян, которая включала: выбор неповрежденных и примерно одинакового размера, замачивание на несколько минут в дистиллированной воде для отбраковки всплывших семян. Далее в чашки Петри раскладывали диски фильтровальной бумаги диаметром 9 см и равномерно по 12 семян. Затем наливали по 5 мл исследуемых вод в каждую чашу, в качестве контроля использовали дистиллированную воду. Чашки закрывали, и семена проращивали при дневном освещении без попадания прямых солнечных лучей.

В конце эксперимента, на 3 сутки были проведены измерения длин корней, так как именно изменения (инг и-бирование или стимулирование) при развитии корневой системы по сравнению с контролем является основной тест-реакцией растения на наличие в воде загрязнителей. Снижение длины корней проростков семян в исследуемых пробах воды по сравнению с контролем, принятым за 100 %, являлось показателем токсичности проб воды. Результаты опытов по биотестированию приведены на рисунках 7, 8. У всех корней кресс-салата, выращенных на тестируемых водах в июне, происходило ингибирование роста, в отличие от корневой системы редиса, где наблюдалось незначительное отличие от контроля не ниже 70 %. Наибольший ингибирующий эффект на обоих тест-растениях был получен в точке №3 -река Салгир после прохождения через урбанизированную территорию г. Симферополь. Следующей точкой, по течению реки показавшей сильный ингибирующий эффект: по редису стал створ №5 - очищенные сточные воды сбрасываемой с КОС г. Симферополь, по кресс-салату - №6 (р. Салгир в 500 м после КОС). Наибольший токсический эффект в опытах проведенных в августе по редису был получен в точке №3, по кресс-салату этот же створ показал второй результат по ингибирую-щему действию воды.

140 120 100 80 60 40 20 0

стимулир ующий

эффект

контроль

эффект

точка точка точка точка точка точка точка 1 2 3 4 5 6 7 ^^^ кресс-салат ^^^ редис ^^^ норма

Рис. 7. Результаты опыта по биотестированию (изменение длин корней исследуемых растений по сравнению с контролем) 19.06.2017 года

стимулир ующий -эффект

контроль

ингибиру ющий эффект

140 120 100 80 60 40 20 0

точка точка точка точка точка точка точка 1 2 3 4 5 6 7 ^^^ кресс-салат ^^^ редис ^^^ норма

Рис. 8. Результаты опыта по биотестированию (изменение длин корней исследуемых растений по сравнению с контролем) 07.08.2017 года

Анализируя рисунки 7 и 8, прослеживаются явно выраженные ответные реакции тест-культур на исследуемые воды в виде заметного снижения (ингибирования) роста корневой системы по сравнению с контролем.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что развитие семян во всех точках испытывает ингибирующее действие исследуемых вод, причем семена кресс-салата показали более сильный тест-отклик, находящийся в пределах 40...60 % от контроля, кроме пробы воды из Симферопольского водохранилища. Редис также показал хороший тест-отклик, однако развитие растения не снизилось ниже 70 % от контроля, а в пробе из Симферопольского водохранилища эффект был выше 100 %.

На кресс-салате были получены более сильные различия между вариантами эксперимента, которые показали значительные отличия по токсичности

тестируемых вод в сравнении с контролем. В опытах с использованием семян редиса выявленный ингибирующий эффект был менее выраженный. Это можно связать с избирательной чувствительностью тест-культур, которая выражается в том, что семена разных видов по-разному реагируют на определенные классы поллютантов.

Повторное биотестирование в августе месяце с использованием кресс-салата показало сходные результаты с опытами, проводимыми ранее, кроме проб воды взятых в створах № 5-7, которые дали тест-отклик 100 % и более по сравнению с контролем.

Выводы

Корневая система тест-растений в контакте с исследуемыми водами развивалась с явно выраженными ответными реакциями - ингибированием (торможением роста), что свидетельствует о присутствии вредных веществ в воде оказывающих токсическое действие на развитие растений.

Каждый биотест в отдельности (за одну дату) показал схожие результаты (кривые движутся симметрично друг другу).

Наибольшую чувствительность к поллютантам проявил кресс-салат показавший максимальный ингибирующий эффект развития корней по сравнению с контрольными. Максимальное ингиби-рование корневой системы составило 41,8 % (пункт № 3), минимальное 57,3 % (пункт № 1).

Токсичность проб воды взятых в пунктах № 5, 6, 7 в июне оказала ингибирующий эффект на развитие тест-культур, однако в августе месяце в этих же пунктах токсический эффект выражался в стимулировании роста растений (выше 100 %), что может свидетельствовать о наличии в водах высоких концентраций азотных и фосфатных соединений, которые в больших количествах также неблагоприятны для развития растений и могут накапливаться в них.

Наиболее выраженный токсический эффект на тест-культуры, по результатам проведенного биотестирования в июне и августе оказала проба воды отобранная в створе № 3 - река Салгир после прохождения через урбанизированную территорию г. Симферополь.

Таким образом, проведенные исследования подтверждают эффективность использования методов биотестирования для определения токсического загрязнения как природных, так и очищенных сточных вод. Полученные данные показали необходимость проведения полного химического анализа воды в створах № 3, 5, 6 с целью определения токсических веществ оказывающих воздействие на растительные системы.

Библиографический список

1. Иванютин, Н.М. Возможность использования слабоминерализованных поверхностных и подземных вод для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения и орошения в Крыму/ Н.М. Иванютин // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. - 2017. - № 2 (66). - С. 106-111.

2. Иванютин, Н.М. Влияние антропогенной деятельности на качественные характеристики вод реки Салгир и их оценка по степени пригодности для целей орошения / Н. М. Иванютин, С. В. Подовалова / Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. -2016. - № 4 (64) - С. 95-103.

3. Правила охраны поверхностных вод. Типовые положения. - М.: Изд. Госкомприроды СССР, 1991. - 38 с.

4. Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения: СанПиН 2.1.7.573-96. - М. - 1997.

5. Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников: СанПиН 2.1.4.1175-02. - М.: Минздрав России, 2003.

Сведения об авторах

Иванютин Николай Михайлович,

младший научный сотрудник; Федеральное государственное бюджетно научное учреждение «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Крыма»; 295493, Россия Республика, Крым, г. Симферополь ул. Киевская, д.150; тел. +79780138986; е-шаН: redko1ya@mai1.ru.

Подовалова Светлана Владимировна, младший научный сотрудник; Федеральное государственное бюджетно научное учреждение «Научно-исследовательский институт сельского

хозяйства Крыма»; 295493, Россия Республика, Крым, г. Симферополь ул. Киевская, д.150; тел. +79787552395; email: podovalovas@list.ru.

References

1. Ivanjutin, N.M. Vozmozhnost' ispol'zovanija slabomineralizovannyh poverhnostnyh i podzemnyh vod dlja celej hozjajstvenno-pit'evogo vodosnabzhenija i oroshenija v Krymu/ N.M. Ivanjutin // Puti povyshenija jeffektivnosti oroshaemogo zemledelija. -2017. - № 2 (66). - S. 106-111.

2. Ivanjutin, N.M. Vlijanie antropogennoj dejatel'nosti na kachestvennye harakteristiki vod reki Salgir i ih ocenka po stepeni prigodnosti dlja celej oroshenija / N. M. Ivanjutin, S. V. Podovalova / Puti povyshenija jeffektivnosti oroshaemogo zemledelija. -2016. - № 4 (64) - S. 95-103.

3. Pravila ohrany poverhnostnyh vod. Tipovye polozhenija. - M.: Izd. Goskomprirody SSSR, 1991. - 38 s.

4. Gigienicheskie trebovanija k ispol'zovaniju stochnyh vod i ih osadkov dlja oroshenija i udobrenija: SanPiN 2.1.7.573-96. - M. - 1997.

5. Gigienicheskie trebovanija k kachestvu vody necentralizovannogo vodosnabzhenija. Sanitarnaja ohrana

istochnikov: SanPiN 2.1.4.1175-02. -M.: Minzdrav Rossii, 2003.

Information about the authors

Ivaniutin Nikolai Mikhailovich, junior researcher researcher; Research Institute of Agriculture of Crimea; 150 str. Kievskaya , Simferopol, Crimea, Russian Federation, 295493; phone +7-978-01389-86; e-mail: redkolya@mail.ru.

Podovalova Svetlana Vladimirovna, junior researcher researcher; Research Institute of Agriculture of Crimea; 150 str. Kievskaya , Simferopol, Crimea, Russian Federation, 295493; phone +7-978755-23-95; e-mail: podovalovas@list.ru.

Для цитирования: Иванютин Н.М., Подовалова С.В. Использование растительных тест-систем в мониторинге экологического состояния водных объектов реки Салгир // Экология и строительство. - 2017. - № 3. - С. 1723.

For citations: Ivaniutin N.M., Podovalova S.V. Use of vegetative test systems in monitoring of the ecological status of water bodies of the Salgir river // Ekologiya i stroitelstvo. - 2017. - № 3. - Р. 17-23.