Обоснование методических подходов к выбору и использованию тест-объектов для биомониторинга загрязнения водных объектов соединениями мышьяка

В 1996 году Правительством Российской Федерации (РФ) была утверждена (а в 2005 году уточнена) федеральная целевая программа (ФЦП) «Уничтожение запасов химического оружия в РФ». Она предусматривает уничтожение до 29 апреля 2012 года более 40 ООО тонн отравляющих веществ (ОВ) [107]. Реализация ФЦП имеет огромное международное значение и отвечает интересам национальной безопасности России. Основной задачей ФЦП является создание и обеспечение безопасного функционирования объектов по уничтожению химического оружия (ОУХО).

Контроль за соблюдением установленных нормативов производится преимущественно химико-аналитическими методами. Однако одновременное присутствие в компонентах окружающей среды (ОС) множества веществ даже в количествах, не превышающих их предельно допустимые концентрации (ПДК), может порождать биологические эффекты, которые невозможно предсказать на основе частных химических определений. Для решения этой задачи создана система экологического контроля и мониторинга природных сред и объектов.

Важнейшей составной частью экологического мониторинга окружающей природной среды (ОПС) является биомониторинг — система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния биологических систем под влиянием антропогенных воздействий [21], основными компонентами которого являются биоиндикация и биотестирование.

Главные достоинства биологических методов контроля заключаются в интегральной оценке качества ОС, экспрессности получения результатов, достаточно высокой чувствительности большинства индикаторных организмов.

Следует отметить, что своевременный эффективный контроль токсичности загрязняемых водных объектов может быть проведен только методами биотестирования. Основной принцип гидробиологического биотестирования заключается в испытании действия проб воды на водный организм, его часть или сообщество организмов с известными и поддающимися учету характеристиками. Таким образом, тест-объект выступает в роли прибора, выявляющего интегральный биологический эффект комплекса неблагоприятных экологических факторов, в том числе и химической природы.

В настоящее время предложен перечень разнообразных биотест-объектов, относящихся к разным биологическим видам. Однако ни один из предлагаемых организмов не может служить универсальным индикатором загрязнения водных объектов, в равной степени чувствительным ко всем экотоксикологическим факторам из-за имеющейся видовой избирательности к действию загрязняющих веществ (ЗВ).

Для Кировской области в последние годы все более актуальной становится проблема загрязнения водных объектов соединениями мышьяка. С 2006 года в пгт. Марадыково начал функционировать объект по уничтожению химического оружия (ХО). Уничтожаются авиационные боеприпасы и боевые части ракет, снаряженные фосфорорганическими ОВ, а также смесью иприта и люизита (около 7 ООО тонн) [22].

Среди приоритетных технологий переработки люизита наиболее изученным в химическом отношении, простым для технической реализации и экологически безопасным по сравнению с другими является метод щелочного гидролиза [80]. Гидролизные продукты детоксикации люизитасложные многокомпонентные системы, содержащие преимущественно арсенит и арсенат натрия, гидроксид и хлорид натрия, бентонитовую глину [34].

Проблему загрязнения ОС усугубляет наличие на территории Кировской области Кильмезского могильника ядохимикатов, где захоронено 590 тонн ртутьи мышьяксодержащих, хлорорганических и других токсичных соединений. Факты умеренного и опасного загрязнения земель тяжелыми металлами (ТМ) отмечены в городах Кирове и Кирово-Чепецке, для которых характерно превышение содержания свинца, хрома, меди, цинка, кадмия, ртути, а также присутствие соединений мышьяка [70, 32].

В подобных условиях возникла реальная потребность в изучении специфической избирательной чувствительности различных видов тест-организмов к продуктам детоксикации OB, в особенности арсенита натрия как продукта деградации люизита.

С позиций экологической токсикологии водный объект необходимо рассматривать как сложную экологическую систему. Исходя из принципа целостности (холизма), возмущения в одной части сложной системы неизбежно вызывают изменения в других ее частях, которые ведут к нейтрализации возмущения или при превышении его порога к еще большей деформации системы. В каждую экосистему входят группы организмов разных видов, различаемые по способу питания — автотрофы и гетеротрофы. Эти группы организмов взаимодействуют между собой, согласуя потоки вещества и энергии, поддерживая структуру и целостность экосистемы. Естественные постоянные трофические связи живых существ, населяющих водную среду, определяют суть ее самоочищения от всевозможных загрязнений [100].

В оценке состояния водных объектов традиционными тест-объектами выступают микроводоросли и низшие ракообразные, то есть система гидробионтов «автотроф-гетеротроф».

Исходя из данных литературы, наиболее перспективными для изучения качества водной среды тест-объектами являются планктонные рачки Ceriodaphnia affinis Lili, и Daphnia magna Str. Они служат не только «датчиками», позволяющими непосредственно выявлять присутствие токсических агентов в природных средах, но и калибровочными эталонами для других методов и биосистем, рекомендуемых для целей биотестирования. Следует учитывать, что цикл развития С. affinis в 2 раза короче, чем у D. magna, поэтому их использование более предпочтительно, так как обеспечивает большую экспрессность проведения анализа [103].

Кроме того, эксперименты с рачками С. affinis из-за их малых размеров требуют меньших объемов испытуемых растворов.

Наиболее часто применяемые в исследованиях интегральные тест-функции — смертность и плодовитость рачков. Гибелью считают состояние совершенной неподвижности при условии, что организмы, перенесенные в чистую воду, снова не приобретают подвижности [102]. Плодовитостьсреднее число яиц в кладке самки [73]. Различают потенциальную (количество народившейся молоди, в том числе уродливые формы и абортивные яйца) и реальную плодовитость (количество молоди, прожившей двое суток) [102]. При воздействии токсичных веществ часть самок начинает продуцировать ложные эфиппиумы, другая — рождает самцов. Абортирование яиц, эмбрионов, их рассасывание, снижение плодовитости из поколения в поколение, массовое рождение карликовых форм — типичный симптом интоксикации многими ядами [112].

Для биотестирования также широко применяются микроводоросли, использование которых в экотоксикологической практике обусловлено их первостепенной ролью в экосистемах. Кроме того, они в большей степени, чем многоклеточные организмы, чувствительны к загрязнениям, так как высокая удельная поверхность клеток способствует быстрому накоплению токсикантов [58]. В отличие от Chlorella vulgaris Beijer, Scenedesmus quadricauda (Turp) Breb представляет собой колониальный организм, состоящий из соединенных друг с другом 2−4 клеток, поэтому реакция данной комплексной структуры очень важна в контроле и мониторинге природных сред и объектов.

В качестве тест-функций микроводорослей часто используют интегральные характеристики смертности, прироста культуры, феномен флюоресценции хлорофилла. Предпочтительнее использовать показатель скорости роста культуры [74]. Признаками угнетения жизнедеятельности водорослей и прекращения роста может быть пожелтение культуры, появление белесого оттенка на среде или ее помутнение [90].

К сожалению, в имеющихся работах уделяется крайне мало внимания вопросу биотестирования донных отложений (ДО), которые играют определяющую роль в миграции веществ и регулировании их содержания в водной среде. С одной стороны ДО способствуют самоочищению водной среды, накапливая разнообразные химические вещества, с другой, при возникновении определенных условий могут служить потенциальным источником вторичного загрязнения. Для достоверной оценки состояния водных экосистем химический анализ и биотестирование природных вод (ПВ) должны осуществляться одновременно с анализом ДО.

Однако методическая база для выполнения работ по биотестированию ДО в РФ пока отсутствует, и в организациях разных ведомств используют различные методические приемы и различную технику. При этом основные трудности связаны с адекватным подбором подходящих тест-объектов и тест-функций, корректным выбором контрольных или фоновых значений показателей, обоснованием условий пробоподготовки, не приводящих к изменениям исходных свойств ДО [7].

В настоящее время для целей получения достоверной информации о состоянии водных экосистем назрела необходимость создания единых подходов, стандартизации и унификации методической базы для адекватной оценки токсичности донных отложений [16].

Применяемые в рамках программы экологического контроля и мониторинга объекта по уничтожению химического оружия (ОУХО) в Кировской области аттестованные методы биотестирования ПВ имеют ряд существенных недостатков, а для биотестирования ДО используют только одну методику, основанную на регистрации реакций инфузорий. К тому же оценка экологического состояния ПВ осуществляется без учета состояния ДО, что не дает возможности получения полной и достоверной информации о экотоксикологическом статусе водных объектов.

Исходя из вышеизложенного, исследования, связанные с совершенствованием методик биотестирования ПВ и ДО являются актуальными.

Целью диссертационной работы является обоснование методических подходов к выбору и использованию тест-объектов для биомониторинга загрязнения водных объектов соединениями мышьяка.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Установить информативность острых и хронических биотестов с использование С. а$гт8 и Я. quadricauda для обнаружения загрязнения водных объектов арсенитом натрия в конкретных условиях (на примере ОУХО «Марадыковский» в Кировской области).

2. Выявить закономерности токсического действия арсенита натрия на С. а^гтя и & циас1псаис1а и провести аналогичные исследования в отношении другого приоритетного токсиканта (нитрата ртути) для подтверждения правомерности установленной зависимости.

3. Экспериментально обосновать условия, позволяющие повысить экспрессность и чувствительность методик биотестирования с использованием С. а^гтБ и 5″. quadricauda в качестве тест-объектов, а также унифицировать процедуру выражения результатов биотестирования.

4. С помощью оптимизированных методик биотестирования осуществить оценку состояния водных объектов в районе ОУХО «Марадыковский» Кировской области.

5. Обосновать целесообразность практического внедрения оптимизированных методических подходов в систему биомониторинга водных объектов (на примере ОУХО «Марадыковский» в Кировской области).

Объектом исследования выступают ПВ и ДО района действующего объекта промышленного уничтожения ХО «Марадыковский» Кировской области.

Научная новизна диссертационного исследования:

1. Предложен интегральный показатель токсичности (Втах) проб ПВ и ДО, который дает возможность ранжировать уровни антропогенных нагрузок на экосистему.

2. Разработана и апробирована балльная система определения класса экотоксикологического состояния водного объекта. Проведена оценка экотоксикологического состояния водных экосистем территории ОУХО «Марадыковский» в Кировской области.

3. Выведена математическая модель, описывающая закономерности воздействия соединений мышьяка (арсенита натрия) на чувствительные виды тест-организмов, которая может использоваться для прогностической оценки уровня загрязнения водных объектов по изменению тест-функций индикаторов.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Оптимизирована система экотоксикологической оценки водных объектов в районе ОУХО «Марадыковский». Выбор в качестве биотест-объектов С. а/Атя и циас1Нссш (1а и применение разработанных методических приемов позволяют уменьшить трудоемкость анализа, повысить его чувствительность и экспрессность. Балльная система определения класса экотоксикологического состояния водного объекта позволяет унифицировать процедуру выражения результатов биотестирования.

2. Практические предложения, включающие изучение хронической токсичности соединений мышьяка на популяционном уровне с использованием для оценки более чувствительного пятого поколения рачков, а также применение модифицированной питательной среды для получения контрольной культуры микроводорослей позволяют оптимизировать процедуру биотестирования.

3. Уравнения регрессии, описывающие зависимость «концентрация-эффект» при воздействии арсенита натрия на тест-объекты, позволяющие осуществлять прогностическую оценку степени загрязнения водных объектов.

Практическая значимость Результаты диссертационного исследования, а именно: практические предложения по оптимизации процесса биотестирования природных вод и донных отложенийинтегральный показатель токсичности проб природных вод и донных отложений, который дает возможность определить класс экотоксикологического состояния водного объекта и ранжировать уровни антропогенных нагрузок на экосистемубалльная система определения класса экотоксикологического состояния водных объектов с учетом степени токсичности природных вод и донных отложенийматематическая модель для прогностической оценки уровня загрязнения водных объектов по изменению тест-функций индикаторов внедрены в практику деятельности лаборатории биомониторинга и биотестирования РЦГЭКиМ по Кировской области ФГУ «ГосНИИЭНП» (см. приложение А).

Использование указанных результатов позволило оптимизировать процедуру биотестирования, повысить эффективность и качество биомониторинга водных объектов в районе действующего ОУХО «Марадыковский».

Материал, представленный в работе, получен при выполнении исследований в рамках ФЦП «Уничтожение запасов химического оружия в Российской Федерации».

Апробация работы.

Результаты исследований были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (г. Киров: 2007, 2008, 2009 гг.), на Всероссийской научно-практической конференции «Региональные и муниципальные проблемы природопользования» (г. Кирово-Чепецк, 2008 г.), на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Экотоксикология» (Пущино, 2009), на Всероссийской научной школе для молодежи «Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей среды» (г. Киров, 2009 г.), на II Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века» с международным участием (г. Красноярск, 2010 г.), на XVII Всероссийской молодежной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (г. Сыктывкар, 2010 г.), на научно-практической конференции молодежи «Экология родного края — проблемы и пути их решения» (г. Киров: 2008, 2009, 2010 гг.), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Биомониторинг природно-техногенных систем» (г.Киров, 2011 г.).

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 2 -в рецензируемых журналах из списка изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Автор принимала личное участие в планировании экспериментальных исследований, подборе методов для достижения поставленной цели и осуществлении всех следующих этапов работы: анализа литературных источников, проведения исследований в лабораторных условиях, а также обработки и интерпретации полученных результатов с разработкой в итоге практических предложений по оптимизации мониторинга водных объектов района исследования.

Исследования по совершенствованию методики биотестирования с использованием микроводорослей & диас1псаис1а проводились совместно с кандидатом биологических наук Анной Юрьевной Плетневой. Работы по построению и анализу функции эффективности осуществлялись совместно с профессором Сергеем Владимировичем Криштопенко.

Автор выражает благодарности научному руководителю доктору медицинских наук, профессору Веронике Юрьевне Охапкиной за ценные замечания, поддержку и интерес к работе, а также руководству в лице доктора технических наук, профессора Тамаре Яковлевне Ашихминой Регионального центра государственного контроля и мониторинга по Кировской области (РТДГЭКиМ по Кировской области) за возможность использования и обобщения экспериментальных данных, заведующей лаборатории биомониторинга и биотестирования РЦГЭКиМ по Кировской области Ирине Васильевне Панфиловой, кандидату биологических наук Татьяне Ивановне Кочуровой, кандидату биологических наук Анной Юрьевной Плетневой за методическую и практическую помощь. Автор выражает благодарность доктору биологических наук, академику РАЕН Наталье Сергеевне Жмур за консультирование по методическим вопросам.

Выводы.

1. Обоснован методический подход к биотестированию водных объектов как двукомпонентных систем «ПВ — ДО». Предложен интегральный показатель токсичности (Втах) проб природных вод и донных отложений, который дает возможность определить класс экотоксикологического состояния водного объекта и ранжировать уровни антропогенных нагрузок на экосистему.

2. Предложена балльная система определения класса экотоксикологического состояния водных объектов с учетом степени токсичности природных вод и донных отложений. Осуществлена оценка состояния водных объектов района ОУХО «Марадыковский».

3. Выбор в качестве биотест-объектов С. а^гтя, диас1псаис1а и применение оптимизированных методических приемов, связанных с осуществлением на популяционном уровне хронических опытов с использованием более чувствительного пятого поколения рачков и модифицированной питательной среды позволяет уменьшить трудоемкость анализа, повысить его чувствительность и экспрессность.

4. Подтверждение правомерности установленной зависимости токсического действия арсенита натрия на тест-объекты позволяет рекомендовать оптимизированные методические приемы для биотестирования загрязнения водных объектов другими приоритетными токсикантами.

5. Выведена математическая модель, описывающая линейную зависимость «концентрация — эффект», которая может использоваться для прогностической оценки уровня загрязнения водных объектов по изменению тест-функций индикаторов.

6. Результаты диссертационного исследования внедрены в практику деятельности лаборатории биомониторинга и биотестирования РЦГЭКиМ по Кировской области ФГУ «ГосНИИЭНП». Использование указанных результатов позволило оптимизировать процедуру биотестирования, повысить эффективность и качество биомониторинга водных объектов в районе действующего ОУХО «Марадыковский».

Заключение

(практические предложения).

Результаты анализа на токсичность с помощью микроводорослей можно считать удовлетворительными, если контрольная культура обладает скоростью роста 1,43 сут-1 и более за 3 суток.

Для более полной и достоверной экотоксикологической оценки проб ПВ и ДО необходимо знать реакцию биотест-объектов не только на уровне индивидуального организма, но и с учетом внутрипопуляционных процессов. Метод экотоксикологических микрокосм является наиболее приемлемым, экономически целесообразным и менее трудоемким, в сравнении с опытами на уровне организма.

Несмотря на то, что в РД 52.24.635−2002 при оценке вытяжки ДО обозначены в качестве приоритетных биотесты на дафниях или цериодафниях мы рекомендуем использовать S. quadricauda, а С. affinis — в методе микрокосм. Непригодность использования С. affinis связано с засорением фильтровального аппарата рачков взвесями водной вытяжки ДО.

Данные экспериментальных и теоретических исследований свидетельствуют, что наличие посторонней микрофлоры и микрофауны в пробе ПВ и ДО искажает результаты анализа за счет перекорма рачков, а также конкуренции и выедания микроводорослей. Поэтому кормление подопытных рачков С. affinis, а также проведение экспериментов с микроводорослью S. quadricauda более 3 суток считаем не целесообразным.

Накопленный к настоящему времени опыт применительно к биомониторингу состояния природных сред и объектов свидетельствует о необходимости рассматривать водные объекты как единую систему «ПВДО» с определением интегрального показателя загрязнения. Разработанная нами балльная система определения экотоксикологического статуса водного объекта позволяет унифицировать процедуру выражения результатов биотестирования.

Результаты диссертационного исследования внедрены в практику деятельности лаборатории биомониторинга и биотестирования РЦГЭКиМ по Кировской области ФГУ «ГосНИИЭНП» (см. приложение А).

Таким образом, была решена задача выбора тест-объектов и оптимальных условий их применения в мониторинге загрязнения водных экосистем мышьяком, а также унификации процедуры выражения результатов биотестирования. В дальнейшем планируется расширить область применения балльной системы оценки водных объектов с включением гидробиологических показателей.