Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ К ВЫБОРУ И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ТЕСТ-ОБЪЕКТОВ ДЛЯ БИОМОНИТОРИНГА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ СОЕДИНЕНИЯМИ МЫШЬЯКА (НА ПРИМЕРЕ ОУХО "МАРАДЫКОВСКИЙ" КИРОВСКОЙ ОБЛАСТИ)

03.02.08. - Экология (биология)

МАЛЬЦЕВА СВЕТЛАНА АЛЕКСАНДРОВНА

Ульяновск - 2012

Работа выполнена на кафедре экологии в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Вятский государственный гуманитарный университет".

Научный руководитель:

Охапкина Вероника Юрьевна, доктор медицинских наук, доцент.

Официальные оппоненты:

Каменек Валерий Михайлович, доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой биологии и биоэкологии ФГБОУ ВПО "Ульяновский государственный университет";

Благовещенская Нина Васильевна, доктор биологических наук, директор МОУ ДОД "Ульяновский детский экологический центр".

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет", г. Саратов.

Защита диссертации состоится "20" июня 2012 г. в 12³⁰ на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при ФГБОУ ВПО "Ульяновский государственный университет" по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, д.106, корпус 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, а с авторефератом - на сайте ВУЗа http://www.uni.ulsu.ru и на сайте высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, Ульяновский государственный университет, управление научных исследований.

Автореферат разослан "____" __________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент С.В. Пантелеев.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей составной частью экологического мониторинга окружающей природной среды является биологический мониторинг, главные достоинства которого заключаются в интегральной оценке качества окружающей среды, экспрессности получения результатов, достаточно высокой чувствительности большинства индикаторных организмов. Относительная простота реализации многих биотестов, экономическая целесообразность их применения и, самое главное, возможность получения информации, которую не могут дать традиционные методы химического анализа делают биомониторинг незаменимым элементом контроля и предупреждения загрязнения.

Согласно данным Агентства окружающей среды США (ЕРА), биотестирование осуществляется с использованием более 100 тест-объектов и около 5 000 тест-реакций. Однако ни один из предлагаемых организмов не может служить универсальным индикатором загрязнения водных объектов, в равной степени чувствительным ко всем токсикантам из-за имеющейся видовой избирательности к их действию. Поэтому задача выбора показательных тест-объектов и оптимальных условий их применения в оценке состояния водных объектов является актуальной.

Для получения полной и достоверной информации о состоянии водных объектов химический анализ и биотестирование природных вод (ПВ) должны осуществляться одновременно с анализом донных отложений (ДО), т.к. при возникновении определенных условий ДО могут служить потенциальным источником вторичного загрязнения. В настоящее время назрела необходимость создания единых подходов, стандартизации и унификации методической базы для адекватной оценки токсичности донных отложений (Бакаева, 2009).

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.

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 использованием C. affinis и S. 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 C. affinis и S. quadricauda 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 C. affinis и S. 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).

Научная новизна диссертационного исследования:

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

2. Разработана и апробирована балльная система определения класса экотоксикологического состояния водного объекта. Проведена оценка экотоксикологического состояния водных объектов 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 C. affinis и S. quadricauda 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 соединений мышьяка 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 отложений; интегральный показатель токсичности проб природных вод и донных отложений, который дает возможность определить класс экотоксикологического состояния водного объекта и ранжировать уровни антропогенных нагрузок на экосистему; балльная система определения класса экотоксикологического состояния водных объектов с учетом степени токсичности природных вод и донных отложений; математическая 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. 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".

Личный вклад автора. Автором проведено планирование экспериментальных исследований, подбор методов для достижения поставленной цели и осуществление всех следующих этапов работы: анализа литературных источников, проведения исследований в лабораторных условиях, а также обработка и интерпретация полученных результатов с разработкой в итоге практических предложений по оптимизации системы экотоксикологической оценки водных объектов района исследования.

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, 2008г.), 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 Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Биологический мониторинг природно-техногенных систем" (г. Киров, 2011 г.), на научно-практической конференции молодежи "Экология родного края - проблемы и пути их решения" (г. Киров: 2008, 2009, 2010 гг.).

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

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка литературы. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 11 рисунков, 53 таблицы и 1 приложение. Список литературы включает 131 источник, из них 16 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Современное состояние проблемы биотестирования водных объектов, загрязненных соединениями мышьяка и тяжелых металлов (обзор литературы).

В главе изложены понятия мониторинга, биомониторинга и биотестирования. Приводятся основные требования к биотестам, а также принципиальная схема и методология биотестирования. Дается краткий обзор существующих биотестов, тест-реакций и сравнительной чувствительности тест-объектов. Обсуждаются проблемы биотестирования и пути их решения. Рассмотрены особенности действия тяжелых металлов и мышьяка на тест-объекты, а также особенности биотестирования ПВ и ДО, загрязненных этими токсикантами. Приведены сведения о чувствительности организмов к соединениям мышьяка и ртути.

Показано, что в настоящее время биотестирование оформилось в актуальное научно-прикладное направление и является незаменимым элементом экологического контроля и мониторинга природных сред и объектов, однако, нуждается в дальнейшем усовершенствовании и развитии.

Глава 2. Материалы и методы исследований.

Материалом для исследования служили пробы ПВ и ДО условно чистые и искусственно загрязненные в лабораторных условиях соединениями мышьяка и ртути, отобранные на территории санитарно-защитной зоны (СЗЗ) и зоны защитных мероприятий (ЗЗМ) ОУХО "Марадыковский" за период с 2007 по 2010 гг. Отбор и обработку материала проводили по прописи нормативных документов (ГОСТ 27065-85 СТ СЭВ 5184-85; ГОСТ 17.1.5.05-85; ГОСТ 17.1.5.01-80; ГОСТ 17.1.5.04-81; ГОСТ Р 52592-2000). Точки пробоотбора располагаются в типичных биоценозах в соответствии с сетью государственного экологического контроля и мониторинга с учетом рельефа территории и расстояния от источников загрязнения.

Химико-аналитические исследования проб ПВ и ДО выполнены на базе аккредитованной лаборатории РЦГЭКиМ. Токсичность проб ПВ и ДО оценивали по аттестованным методикам (Жмур, 2001, 2007) в аккредитованной лаборатории биомониторинга и биотестирования РЦГЭКиМ с помощью стандартных лабораторных тест-культур C. affinis и S. quadricauda. Культивирование этих тест-объектов осуществлялось по прописи справочников, практикумов, рекомендаций (Р 52.24.566-94; Временное методическое руководство…, 2002; Руководство…, 2002; Методические рекомендации…,1983; Справочник…, 1989; Чаус, 1995; Градова, 1998).

Для проведения исследований применяли средства измерений, материалы и реактивы, рекомендуемые методиками (Жмур, 2001, 2007).

Статистическую обработку результатов, в том числе пробит-анализ осуществляли с помощью встроенного статистического пакета Excel (MS Office 2007) в соответствии с РД 52.24.669-2005 и прописи методик (Жмур, 2001, 2007). Для выполнения картографических материалов использовали программу "Surfer 9".

Глава 3. Физико-географическая и гидрологическая характеристика территории действующего объекта по уничтожению химического оружия "Марадыковский".

В главе изложена физико-географическая характеристика района исследования, а также химико-биологическая характеристика ПВ и ДО территории действующего ОУХО "Марадыковский". Приводится краткий обзор основных источников загрязнения окружающей природной среды в районе ОУХО и мониторинговая сеть наблюдения ПВ и ДО.

Обоснован вывод о наличии некоррелятивных различий между содержанием соединений мышьяка в ПВ и ДО в районе ОУХО "Марадыковский". биотест загрязнение водный токсическое

Приведена классификация уровней загрязнения ДО с помощью индекса загрязнения (ИЗДО). Если за исходное (фоновое) содержание мышьяка в ДО принять величину 0,5 мг·кг^-1, исходя из этого, по результатам химико-аналитических исследований, можно рассчитать индекс загрязнения ДО (ИЗДО) соединениями мышьяка (формула 1).

ИЗДО = С_i / 0,5 мг·кг^-1, (1)

где ИЗДО - индекс загрязнения ДО,

C_i - содержание мышьяка в i-ой пробе ДО, мг·кг^-1.

Все значения ИЗДО распределили на 5 классов (табл. 1).

Таблица 1. Классы ИЗДО

Количественная величина ИЗДО	Класс ИЗДО
Менее 1,00	I
От 1,00 до 1,49	II
От 1,50 до 1,99	III
От 2,00 до 2,49	IV
2,50 и более	V

Построена картограмма загрязнения ДО, на основании которой установлено, что превышения фонового содержания мышьяка в пробах обнаружены в точках, находящихся как вблизи ОУХО, так и вблизи населенных пунктов (рис. 1). Такое хаотичное распределение ИЗДО не дает возможности определить степень вклада работы ОУХО в загрязнение территории исследования мышьяком.

Показана необходимость в разработке и применении интегрального показателя, учитывающего степень токсичности ПВ и ДО в совокупности с целью получения полной и достоверной информации об экотоксикологическом состоянии водного объекта.

Глава 4. Исследование влияния соединений мышьяка и ртути на тест-объекты.

На основании данных литературы (РД 52.24.669-2005; Бакаева, 2006; Брагинский, 1979; Чупис, 2007) и исходя из наличия стандартных культур тест-объектов в лаборатории, в исследованиях использовались традиционные и достаточно чувствительные тест-объекты: планктонный рачок, фильтратор C. affinis и микроводоросли S. quadricauda. За основу были взяты существующие аттестованные методики биотестирования с применением этих тест-объектов, которые нуждаются в оптимизации с целью повышения экспрессности, чувствительности, унификации, снижения трудоемкости биотестов.

С целью установления информативности острых и хронических биотестов с использование C. affinis и S. quadricauda в отношении токсического загрязнения водных объектов соединениями мышьяка в конкретных условиях были проведены следующие эксперименты.

Исследование влияния арсенита натрия на Scenedesmus quadricauda, Ceriodaphnia affinis в опытах на острую токсичность.

Испытание действия арсенита натрия на рачков C. affinis проводили согласно аттестованной методике, предложенной Н.С. Жмур, основанной на определении смертности и изменении плодовитости третьего поколения рачков в токсичной среде по сравнению с контрольной выборкой в чистой воде.

Исходя из среднестатистического содержания мышьяка в пробах ДО и ПВ, отобранных с территории СЗЗ и ЗЗМ ОУХО "Марадыковский" за период с 2007 по 2010 гг., определен диапазон изучаемых концентраций от 0,03 ПДК_хп до 3000 ПДК_хп, которые можно обнаружить как при начальном незначительном антропогенном воздействии на водные объекты, так и при аварийных сбросах. В качестве тест-функции в опытах на острую токсичность арсенита натрия учитывали 50-процентную гибель рачков в течение 48 ч.

Полученные данные свидетельствовали, что в диапазоне изученных концентраций острое токсическое действие соединений мышьяка на популяцию C. affinis проявилось только в концентрациях от 15 мг·дм^-3 (300 ПДК_хп) и более (табл. 2). Результаты исследований указывают, что даже дополнительная функциональная нагрузка не позволила выявить острое токсическое действие арсенита натрия в диапазоне от 0,03 ПДК_хп до 30 ПДК_хп.

Таблица 2. Уровень смертности C. affinis в зависимости от концентраций мышьяка в опыте на острую токсичность, ±I₉₅, N=4

Концентрация мышьяка, мг·дм3	Среднее число выживших рачков, экз.	Смертность рачков, процент
Контроль	10,00	0,00
0,0015	10,00	0,00
0,0150	9,75	2,50±1,00
0,1500	10,00	0,00
1,5000	10,00	0,00
15,0000	0,00	100
150,0000	0,00	100

Испытание действия арсенита натрия на водоросли S. quadricauda проводили согласно методике, основанной на снижении роста численности водорослей в токсичной среде, по сравнению с контрольной культурой в чистой воде. В качестве тест-функции в опытах на острое действие арсенита натрия учитывали 50-процентное подавление роста культуры водорослей.

Острое действие токсиканта на культуру S. quadricauda проявилось только в больших концентрациях - 150 мг·дм^-3 и более. В условиях дополнительной функциональной нагрузки чувствительность культуры микроводорослей к соединениям мышьяка увеличилась примерно в два раза (табл. 3).

Таблица 3. Подавление роста культуры микроводорослей в условиях дополнительной функциональной нагрузки, ±I₉₅, N=2

Вариант питательной среды	Численность водорослей, тыс. клеток·см-3	Относительное изменение численности клеток водорослей по отношению к контролю, процент
	3 сут	4 сут	3 сут	4 сут
С добавлением 1,5 мг· дм-3 мышьяка	244,0±78,1	493,0±157,8	1,2±0,4	35,4±11,3
С исключением фосфатов и железа и добавлением 1,5 мг·дм-3 мышьяка	235,0±75,2	281,2±90,0	5,0±1,6	63,1±20,2
Контроль	247,0±79,0	763,0±244,2	0,0	0,0

Таким образом, в острых экспериментах при однократном кратковременном воздействии можно выявить только достаточно большие концентрации соединений мышьяка от 15 мг·дм^-3 и более. Указанные обстоятельства определяют необходимость изучения токсических свойств низких концентраций мышьяка в условиях длительного хронического воздействия на гидробионтов. С точки зрения экотоксикологии большая правомочность данного методического подхода связана с превалирующим действием в естественных условиях сравнительно небольших концентраций токсикантов, но постоянно присутствующих в течение длительного периода времени.

Исследование влияния арсенита натрия на Scenedesmus quadricauda, Ceriodaphnia affinis в опытах на хроническую токсичность

При однократном кратковременном действии токсиканта в концентрациях 15·10^-4 мг·дм^-3 (0,03 ПДК_хп), 15·10^-3 мг·дм^-3 (0,3 ПДК_хп), 15·10^-2 мг·дм^-3 (3 ПДК_хп), 1,5 мг·дм^-3 (30 ПДК_хп) острая токсичность арсенита натрия не установлена, поэтому проведены более длительные исследования на хроническую токсичность.

В результате опытов на уровне организма установлена хроническая токсичность мышьяка для рачков в концентрации от 1,5 мг·дм^-3 и выше (табл. 4). Одновременно с учетом гибели определялось отклонение плодовитости рачков, подвергшихся воздействию соединений мышьяка, по отношению к контролю, при этом было выявлено лишь незначительное изменение данного показателя (t_расч.= [0,8-1,2]?t_Ст=2,05).

Таблица 4. Смертность рачков C. affinis в зависимости от концентраций мышьяка в опыте на хроническую токсичность, ±I₉₅, N=4

Концентрация мышьяка, мг·дм-3	Среднее число выживших рачков, экз.	Смертность рачков по отношению к контролю, процент
Контроль	9,00	0,00
0,0015	9,25	0,00
0,0150	9,00	0,00
0,1500	9,00	0,00
1,500	6,75	25,00±10,00

Согласно литературным данным (Брагинский, 2004), хронические эффекты воздействия токсикантов с наибольшей полнотой и яркостью вырисовываются в ряду поколений гидробионтов с коротким жизненным циклом, с максимумом проявления в F_4-5 поколениях. В связи с этим были проведены испытания хронического действия мышьяка в концентрации 1,5 мг·дм^-3 на молодь F_3-7 поколения рачков.

Выбор изучаемой концентрации мышьяка (1,5 мг·дм^-3) обусловлен среднестатистическим содержанием его в ПВ и ДО района исследования, а также практической целесообразностью, материальной обеспеченностью экспериментальных работ.

В ходе опытов установлено снижение толерантности молоди C. affinis к мышьяку в ряду поколений. При этом мышьяк оказал влияние в большей степени на плодовитость рачков, чем на выживаемость. Если у молоди третьего поколения половозрелость наступала на 3-4 сут и значительных отклонений в плодовитости не выявлено, то в последующих генерациях половозрелость не наступала (табл. 5).

Таблица 5. Смертность и плодовитость рачков в ряду поколений при воздействии 1,5 мг·дм^-3 мышьяка, ±I₉₅, N=4

Поколение рачков	Смертность рачков, процент	Отклонение плодовитости (f=28,00, tСт=2,05)
	2 сут	7 сут
F3	10,00 ± 4,00	22,20 ± 8,80	Не достоверно (1,06?2,05)
F4	28,00±11,20	94,40±37,80	--
F5	100,00	100,00	--
F6	100,00	100,00	--
F7	90,00±36,00	95,00±38,00	--
Примечание: "--" - половозрелость рачков не наступала.

Снижение толерантности молоди C. affinis к мышьяку в ряду поколений возможно связано с условиями ее получения. В биотестировании использовалась синхронизированная культура, следовательно, одновозрастная, полученная от одной самки путем ациклического партеногенеза, генетически однородная. Однако для получения последующих поколений сознательно уменьшалось количество пищи для рачков с целью повышения чувствительности молоди к токсиканту.

Такой подход обусловлен экспериментально подтвержденной А.А. Умновым и В.Р. Алексеевым гипотезой о существовании у ветвистоусых рачков материнского эффекта, т.е. внегенетических изменений у потомства, обусловленных условиями жизни материнской особи. Рачки передают потомству информацию о трофических условиях, об изменениях длины светового дня (Алексеев, 2007). Вследствие этого особи, имеющие одинаковый размер и возраст, могут по-разному реагировать на одни и те же условия только потому, что их материнские особи культивировались в разных условиях.

Исследование влияния арсенита натрия на Scenedesmus quadricauda в опытах на хроническую токсичность. При изучении хронического воздействия соединений мышьяка на микроводоросли S. quadricauda установлена его токсичность в концентрации от 1,5 мг·дм^-3 и выше по показателю подавления роста культуры на 50 % и более за 7 сут (табл. 6).

Таблица 6. Значения подавления роста микроводорослей в среде с разной концентрацией мышьяка при хроническом воздействии, ±I₉₅, N=4

Концентрация мышьяка, мг·дм-3	Численность водорослей, тыс. клеток·см-3	Относительное изменение численности клеток водорослей по отношению к контролю, процент
Контроль	4673,0±1495,4	0,0
0,0015	4398,0±1407,4	5,9±1,9
0,0150	3718,0±1189,8	20,4±6,5
0,1500	3343,0±1069,8	28,5±9,1
1,5000	1561,0±499,5	66,6±21,3
Примечание - жирным шрифтом выделены результаты с достоверным отклонением от контроля.

При выполнении краткосрочных и хронических тестов контролировали изменение значений рН среды, содержания кислорода, мышьяка и температуры в начале и в конце эксперимента. Установлены незначительные изменения первоначальных значений концентрации мышьяка (III), кислорода, показателя рН среды и температуры к концу эксперимента.

Таким образом, на основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать заключение о том, что наиболее информативными при обнаружении мышьяка в водных объектах являются острые биотесты с использованием микроводорослей S. quadricauda в условиях дополнительной функциональной нагрузки и хронические биотесты с использованием рачков C. affinis по показателям гибели, плодовитости и реакции особей в ряду поколений.

Рекомендуем использовать в опытах пятое поколение рачков в связи с высокой чувствительностью к арсениту натрия (в 4,5 раза в сравнении с третьим поколением рачков), более низкими трудо- и время затратами на его получение.

На основании экспериментальных исследований в последующем были выведены уравнения регрессии, которые позволили установить медианные концентрации мышьяка - 2,3±0,9 мг·дм^-3 для C. affinis и 3,2±1,0 мг·дм^-3 для S. quadricauda. Таким образом, можно предположить, что привнесение данных концентраций мышьяка приведет к кризисному состоянию водных объектов.

Для подтверждения правомерности выявленных в результате экспериментальных исследований закономерностей в последующем была проведена серия аналогичных опытов с другим приоритетным токсикантом - ртутью.

Исследование комбинированного действия токсикантов на C. Affinis. Проблема действия смесей токсичных веществ на живые организмы все еще остается недостаточно изученной (Виноходов, 2007).

Изучалось хроническое токсическое действие бинарных смесей веществ с единым предполагаемым механизмом действия. В каждой серии опытов испытывали действие смесей с постоянной концентрацией арсенита натрия 0,80 мг·дм^-3, а концентрация нитрата ртути менялась в некоторых пределах: 5,00·10^-5; 5,00·10^-6; 5,00·10^-7; 5,00·10^-8 мг·дм^-3. В процессе окислительно-восстановительной реакции между токсикантами образуются менее токсичные продукты ртути и мышьяка: нитрат ртути (I) - Hg₂(NO₃)₂ и арсенат натрия - Na₃AsO₄, чем изначальные компоненты смеси. Следовательно, при действии смеси на тест-объекты можно предположить явление взаимного ослабления (ингибирования) эффекта воздействия токсикантов. Кривые "концентрация - эффект", построенные по материалам исследований, позволили провести оценку характера комбинированного воздействия изученных бинарных смесей (рис. 2).

Рисунок 2 - Комбинированное действие смеси ртути и мышьяка

Токсический эффект, вызываемый смесью, складывается из токсических эффектов, вызываемых каждым компонентом такой смеси при их изолированном воздействии. Происходит это, вероятно, по причине того, что механизм действия этих веществ на тест-систему един (Виноходов, 2007).

Таким образом, вместо эффекта взаимного ослабления токсического действия компонентов смеси наблюдали эффект суммирования. Возможно, это обусловлено необходимостью подбора определеных условий для протекания окислительно-восстановительной реакции и полного превращения компонентов в менее токсичные продукты. Однако подобная оценка эффекта воздействия смеси веществ условна, т.к. в реальных ситуациях взаимовлияния, взаимопревращения компонентов смеси сложны и зависят от множества факторов.

Результаты оценки комбинированного действия мышьяка и ртути показали важность проведения опытов на хроническую токсичность, т.к. даже незначительные концентрации ртути и мышьяка в их совместном присутствии могут оказать более выраженный эффект.

Глава 5. Экспериментальное обоснование методических подходов к применению тест-объектов в оценке состояния водных объектов. Применяемые в рамках программы экологического контроля и мониторинга 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. Следовательно, актуальным является обоснование условий проведения биотестирования, позволяющих повысить экспрессность и чувствительность методик, а также унификация процедуры выражения результатов биотестирования.

Результаты анализа на токсичность с помощью микроводорослей можно считать удовлетворительными, если контрольная культура обладает скоростью роста 1,43 сут^-1 и более. Для достижения указанной скорости роста был модифицирован компонентный состав питательной среды Успенского, а в качестве стимулятора роста дополнительно введен донный экстракт в соотношении 1:10.

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 C. affinis - в методе микрокосм. Непригодность использования C. affinis связано с засорением (забиванием) фильтровального аппарата рачков взвесями водной вытяжки ДО и как следствие их гибель.

Накопленный к настоящему времени опыт применительно к биомониторингу состояния природных сред и объектов свидетельствует о необходимости рассматривать водные объекты как единую систему "ПВ - ДО" с определением интегрального показателя загрязнения.

В настоящее время в водной экотоксикологии нет общепринятой интегральной оценки состояния водного объекта, учитывающей степень загрязненности как ПВ, так и ДО. Существуют лишь единичные подходы, предложенные различными авторами (РД 52.24.662-2004; Зинченко, 2000; Строганов, 1979).

Нами разработан способ определения экотоксикологического статуса водного объекта по результатам биотестирования, основанный на трех экотоксикологических принципах: максимального допустимого отклонения от контроля, "слабого звена" и холизма. Предложена таблица, которая на основании результатов биотестирования, позволяет определить максимальный балл токсичности проб ПВ и ДО (В_ПВ и В_ДО, который может находиться в пределах от 0 до 4 для каждого компонента). С учетом величин В_ПВ и В_ДО рассчитывается интегральный показатель токсичности (B_max) проб ПВ и ДО, который дает возможность определить класс экотоксикологического состояния водного объекта и ранжировать уровни антропогенных нагрузок на экосистему (табл. 7, 8).

Таблица 7. Определение B_max проб ПВ и ДО по тест-критериям тест-объектов C. affinis и S. quadricauda

Величина максимального балла токсичности (Bmax)	Характеристика тест-критериев для тест-объекта
	C. affinis	S. quadricauda
	Смертность, процент	Плодовитость, статистически значимое отклонение от контроля	Относительное изменение численности клеток водорослей по отношению к контролю, процент	Коэффициент прироста (ингибирования), статистически значимое отклонение от контроля
0	0-10	Статистически недостоверное отклонение плодовитости	0-10	Статистически недостоверное отклонение роста
1	-	Статистически достоверная стимуляция плодовитости	-	Статистически достоверная стимуляция роста
2	10-20	-	10-20	-
3	20-50	Статистически достоверное подавление плодовитости	20-50	Статистически достоверное подавление роста
4	50 и более	-	50 и более	-

Таблица 8. Определение класса экотоксикологического состояния водного объекта по совокупности результатов тестирования проб ПВ и ДО

Bmax ПВ	Классы экотоксикологического состояния
	Bmax ДО
	0	1	2	3	4
0	0	1	1	2	3
1	1	1	1	2	3
2	1	1	1	2	3
3	2	2	2	2	3
4	3	3	3	3	3
Примечание - "0" - относительно удовлетворительное состояние (пробы ПВ и ДО водного объекта нетоксичные); "1" - напряженное (слаботоксичные); "2" - критическое (токсичные); "3" - кризисное (сильнотоксичные).

Предложенная балльная система оценки экотоксикологического состояния водных объектов отработана на реальных пробах, отобранных с территории ЗЗМ ОУХО "Марадыковский".

ВЫВОДЫ

1. Обоснован методический подход к биотестированию водных объектов как двукомпонентных систем "ПВ - ДО". Предложен интегральный показатель токсичности (B_max) 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 C. affinis, S. quadricauda 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".

Таким образом, решена задача подбора оптимальных условий применения приоритетных тест-объектов в биомониторинге 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.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из списка ВАК:

1. Мальцева, С.А. Влияние арсенита натрия, нитрата ртути и их смеси на Ceriodaphnia affinis Lilljeborg и Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb [Текст]/ С. А Мальцева // Теоретическая и прикладная экология. - 2010. - №2. - С. 45-49.

2. Мальцева, С.А. Обоснование методических подходов к выбору тест-объектов для биомониторинга загрязнения системы "природная вода - донные отложения" арсенитом натрия (на примере ОУХО "Марадыковский") [Текст]/ С. А Мальцева // Токсикологический вестник. - 2010. - №1. - С. 45-49.

Публикации в прочих изданиях:

3. Мальцева, С.А. Палинологические исследования территории зоны защитных мероприятий объекта "Марадыковский" [Текст]/ С. А Мальцева, Т.Я. Ашихмина, Л.В. Кондакова // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: Сб. матер. Всерос. науч. -практ. конф.; в 2 ч. - Киров: Изд-во ВятГГУ, 2007. - Ч. 2. - С. 102.

4. Мальцева, С.А. Биоиндикационные исследования территории дендрологического парка лесоводов Кировской области и рекреационная емкость ландшафта [Текст]/ С. А Мальцева, Т.Я. Ашихмина, Л.В. Кондакова // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: Сб. матер. Всерос. науч. -практ.конф.; в 2 ч. - Киров: Изд-во ВятГГУ, 2007. - Ч. 1. - С. 50-51.

5. Мальцева, С.А. Особенности действия мышьяка на тест-объект Ceriodaphnia affinis [Текст]/ С. А Мальцева, Т.Я. Ашихмина // Экология родного края: проблемы и пути их решения: Матер. третьей обл. науч. -практ. конф. молодежи. - Киров: ООО "О-Краткое", 2008. - С. 120-121.

6. Плетнева, А.Ю. Новые подходы в биотестировании [Текст]/ А.Ю. Плетнева, С. А Мальцева // Экология родного края: проблемы и пути их решения: Матер. третьей обл. науч. -практ. конф. молодежи. - Киров: ООО "О-Краткое", 2008. - С. 112-113.

7. Мальцева, С.А. Оценка состояния компонентов природной среды методами биотестирования [Текст]/ С. А Мальцева, А.Ю. Плетнева // Региональные и муниципальные проблемы природопользования: Матер. 10-ой Всерос. науч. -практ. конф. - Кирово-Чепецк, 2008. - С. 69-70.

8. Мальцева, С.А. Опыт применения тест-объекта Ceriodaphnia affinis в оценке состояния почв зоны защитных мероприятий объекта по уничтожению химического оружия [Текст]/ С. А Мальцева, Т.Я. Ашихмина // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: Сб. матер. VI Всерос. науч. -практ. конф. с междунар. участием; в 2 ч. - Киров: Издательство "О-Краткое", 2008. - Ч. 2. - С. 28-30.

9. Плетнева, А.Ю. Биотестирование различных типов почв при помощи водорослей Scenedesmus quadricauda [Текст]/ А.Ю. Плетнева, С. А Мальцева // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: Сб. матер. VI Всерос. науч. -практ. конф. с междунар. участием; в 2 ч. - Киров: Издательство "О-Краткое", 2008. - Ч. 2. - С. 231-233.

10. Мальцева, С.А. Оценка чувствительности тест-объекта Ceriodaphnia affinis к двухвалентной ртути [Текст]/ С. А Мальцева, Т.Я. Ашихмина // Экология родного края - проблемы и пути их решения: Матер. четвертой обл. науч. -практ. конф. молодежи. - Киров, 2009. - С. 106-108.

11. Мальцева, С.А. Явление парадоксальной токсичности и ее графическое изображение [Текст]/ С. А Мальцева, Т.Я. Ашихмина // Экология родного края - проблемы и пути их решения: Матер. четвертой обл. науч. -практ. конф. молодежи. - Киров, 2009. - С. 135-136.

12. Мальцева, С.А. Токсичность арсенита натрия для Ceriodaphnia affinis и Scenedesmus quadricauda [Текст]/ С. А Мальцева // "Экотоксикология-2009": Матер. Всерос. конф. с элементами науч. школы для молодежи. - Пущино: ИБФМ РАН, 2009. - С. 122-124.

13. Мальцева, С.А. Оценка чувствительности Ceriodaphnia affinis и Scenedesmus quadricauda к арсениту натрия [Текст]/ С. А Мальцева // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития: Сб. матер. VII Всерос. науч. -практ. конф.; в 2 ч. - Киров: ООО "Лобань", 2009. - Ч. 1. - С. 22-23.

14. Мальцева, С.А. Обоснование методических подходов к выбору тест-объектов для биомониторинга загрязнения системы "вода-донные отложения" арсенитом натрия (на примере ОУХО "Марадыковский") [Текст]/ С. А Мальцева // Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей среды: Матер. Всерос. науч. школы для молодежи; в 3 ч. - Киров: ООО "Лобань", 2010. - Ч. 3. - С. 68-70.

15. Мальцева, С.А. Токсический эффект воздействия арсенита натрия на гидробионтов [Текст]/ С. А Мальцева // В мире научных открытий: Матер. II Всерос. науч. конф. "Научное творчество XXI века" с междунар. участием. - 2010. - №2 (08). - Ч. 4. - С. 125-127.

16. Мальцева, С.А. Методологический подход к экотоксикологической оценке состояния водных экосистем [Текст]/ С. А Мальцева // Актуальные проблемы биологии и экологии: Матер. XVII Всерос. молодежной науч. конф. - Сыктывкар, 2010. - C.167-168.

17. Мальцева, С.А. Экспериментальное обоснование условий биотестирования многокомпонентных природных сред [Текст]/ С. А Мальцева, В.Ю. Охапкина // Экология родного края - проблемы и пути их решения: Матер. Всерос. науч.-практ. конф. молодежи 26-27 апреля 2010 г. - Киров: ООО "Лобань", 2010. - С. 90-92.

18. Мальцева, С.А. Обоснование интегрального подхода к оценке экотоксикологического состояния водных объектов [Текст]/ С. А Мальцева, В.Ю. Охапкина, Л.В. Кондакова, Т.Я. Ашихмина //Биологический мониторинг природно-техногенных систем: Сб. матер. Всерос. науч. - практ. конф. с междунар. участием; в 2 ч. - Киров: ООО "Лобань", 2011. - Ч. 2. - С. 16-20.

19. Мальцева, С.А. Оценка состояния реки Погиблица с помощью разработанного интегрального подхода [Текст]/ С.А. Мальцева, В.Ю. Охапкина, Л.В. Кондакова, Т.Я. Ашихмина //Биологический мониторинг природно-техногенных систем: Сб. матер. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием; в 2 ч. - Киров: ООО "Лобань", 2011. - Ч. 2. - С. 20-23.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В АВТОРЕФЕРАТЕ

ДО - донные отложения

ЗЗМ - зона защитных мероприятий

ИЗДО - индекс загрязнения донных отложений

ОУХО - объект уничтожения химического оружия

ПВ - природная вода

ПДК - предельно допустимая концентрация

СЗЗ - санитарно-защитная зона

ФЦП - федеральная целевая программа РЦГЭКиМ по Кировской области - Региональный центр государственного экологического контроля и мониторинга по Кировской области.

Размещено на Allbest.ru

...