Биологический мониторинг и биотестирование объектов природной среды

Смертность (или  выживаемость) как критерий токсичности обычно характеризуется показателем СК50 (или медианной летальной концентрацией), при котором в остром опыте погибают 50% подопытных животных. 

Биотестирование может быть использовано для оценки токсичности загрязняемых природных вод, контроля  токсичности сточных вод, ускоренной оценки  токсичности  экстрактов,  смывов и  сред  с  санитарно-гигиеническими

целями, контроля загрязнения воздуха в рабочей зоне предприятий и на территории  населенных  пунктов,  оценки  загрязнения  почвы,  определения  содержания  токсичных  веществ  в  продуктах  питания.  Оно  позволяет  быстро  устанавливать районы и источники загрязнения.

Различают острые и хронические биотесты.[13] Первые рассчитаны на получение  экспресс-информации  о  токсичности  исследуемого  вещества  для данного  тест-организма,  вторые –  на  выявление  долговременного  эффекта действия токсикантов, в частности малых и ультрамалых концентраций.

Острые опыты  проводятся в различные сроки: от нескольких минут до 96 ч. (иногда 72-120 ч). В результате проведенных опытов учитывается величина  выживаемости (или обратная  величина  смертности),  т.е.  статистически достоверный процент выживаемых  или гибнущих  особей  за  определенное время при определенной концентрации вещества.

Острые опыты  позволяют достаточно оперативно  выяснить, оказывает ли  данное  вещество  химической  природы  угнетающее,  стимулирующее  или иное действие на исследуемую тест-функцию у данного тест-объекта.

В  биотестирование  важным  условием  является  то,  что  исследования проводятся  только  на  однородной  культуре  тест-организмов,  которая  адекватно реагирует на действие модельных токсикантов. Например, для получения однородной культуры дафний проводят синхронизированное  выращивание  рачков. Синхронизированной  является  одновозрастная культура, полученная от одной самки путем ациклического партеногенеза в третьем поколении. Такая культура генетически однородна. Рачки,

ее составляющие, обладают близкими уровнями устойчивости к токсическим веществам, одновременно созревают и в одно время дают генетически однородное потомство.

Наличие токсикантов  в среде само по себе еще не означает токсичность. Токсические вещества должны быть биологически доступны. Токсичность – характеристика  биологическая. Бывают  случаи,  когда  химический  состав  не может быть определен, а среда токсична. И наоборот, химический анализ показывает  наличие  токсикантов,  а  токсичность  не  проявляется (тест-объекты

не гибнут).

Биологические методы тестирования являются группой  высокочувствительных  методов  анализа  и  выгодно  отличаются  своей  простотой,  сравнительной неприхотливостью к лабораторным условиям, дешевизной и универсальностью.

3.1 Биотестирование качества среды

Биотестирование как метод оценки токсичности  используется:

1. при проведении токсикологической оценки промышленных, сточных бытовых, сельскохозяйственных, дренажных, загрязненных природных и пр. вод с целью выявления потенциальных источников загрязнения;
2. в контроле аварийных сбросов высокотоксичных сточных вод;
3. при проведении оценки степени токсичности сточных вод на разных стадиях формирования при проектировании локальных очистных сооружений;
4. в контроле токсичности сточных вод, подаваемых на очистные сооружения биологического типа с целью предупреждения проникновения опасных веществ для биоценозов активного ила;
5. при определении уровня безопасного разбавления сточных вод для гидробионтов с целью учета результатов биотестирования при корректировке и установлении предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ, поступающих в водоемы со сточными водами;
6. при проведении экологической экспертизы новых материалов, технологий очистки, проектов очистных сооружений и пр.

В настоящее  время разработано большое количество биотестов, использующих в качестве тест-организмов разнообразных гидробионтов, таких как простейшие (инфузории, жгутиконосцы), кишечнополостные (гидры), черви (планарии, пиявки), моллюски (пластинчатожаберные, брюхоногие), ракообразные (дафнии, гаммарусы) и рыбы.

Методы, использующие в качестве тест-объектов инфузорий основаны на оценке степени их спонтанной двигательной активности, выживаемости в остром опыте (15-60 мин.) или степени прироста их численности в хроническом 96-часовом опыте. Исследуемую воду считают токсичной в случае снижения двигательной активности, выживаемости или прироста численности инфузорий по сравнению с контролем. Но величины критических концентраций тяжелых металлов для инфузорий на несколько порядков ниже, а нитратов, нитритов и аммиака – на несколько порядков выше ПДК, установленных для позвоночных животных и человека. Все это существенно ограничивает возможности и соответственно применимость биотестов с простейшими.

В настоящее  время большинство исследователей используют стандартную методику биотестирования на цериодафниях. Культура тест-организмов содержится в климатостате при постоянной температуре и определенных условиях освещения, в стоячих сосудах. Острое токсическое действие исследуемой воды на цериодафниях определяется по их смертности за определенный период экспозиции. Критерием острой токсичности служит гибель 50% и более цериодафний за 48 часов в исследуемой воде при условии, что в контроле гибель не превышает 10%. В странах ЕЭС принят стандарт на биотестирование сточных вод и определение токсичности отдельных веществ с помощью D. magna.

Биотесты с  применением пиявок основаны на регистрации  изменения статических поз молодых животных после их 15 – 20 мин. пребывания в тестируемой воде. О наличии токсичности судят по уменьшению количества естественных статических поз у подопытных пиявок по сравнению с контрольными и по переходу их к динамическому состоянию (ползанье, плаванье, уход из токсической зоны). При возникновении динамических реакций дальнейшее пребывание пиявок в загрязненной воде приводит к развитию у них интоксикации и гибели через несколько часов или суток.

Данные методы характеризуются повышенной экспрессностью (20 мин.) и простотой в исполнении, но, по существу, устанавливают только наличие или отсутствие острой токсичности исследуемой воды для определенных видов пиявок. Учитывая, что чувствительность этих методов к ряду токсикантов (тяжелые металлы, пестициды) не превышает 10 – 20 ПДК, указанные биотесты могут использоваться только в качестве сигнальных методов.

Другие способы  биологической оценки токсичности  вод основаны на регистрации закрытия створок раковин двустворчатых моллюсков при пропускании загрязненной воды через резервуары с моллюсками.

Показателем токсичности  воды считают увеличение относительного числа моллюсков с закрытыми створками до 70% и более. При биотестировании с помощью брюхоногих моллюсков в основном используют прудовиков, а также лужанку и катушку, взятых из природных водоемов. Оценку токсичности водной среды производят чаще всего в хронических опытах (5 – 60 дней) по изменению двигательной активности моллюсков, интенсивности их питания, размножения, плодовитости или выживаемости.

Существует  большая группа биотестов, основанных на использовании поведенческих и физиологических реакций рыб. Метод рыбной пробы заключается в том, что в резервуар с исследуемой проточной водой помещают 2 – 3 вида рыб, обладающих разной чувствительностью к токсикантам. По изменениям их физиологических и поведенческих реакций или гибели судят о появлении токсикантов. С целью повышения чувствительности созданы новые биотесты, основанные на регистрации поведенческих реакций и устанавливающие токсичность воды по реакции ухода рыб из опасной зоны или изменению их дыхательного ритма и сердцебиения. Рекомендовано проводить биотесты на ограниченном числе видов, таких как речной окунь, гольян и карп. В США и Великобритании несколько методов с использованием рыб стандартизировано и широко применяется для контроля острой токсичности сточных вод и определения необходимого их разбавления.

В последние  годы методы биотестирования стали  активно применяться при оценке качества морской воды. В первую очередь это связано с  масштабным освоением нефтеуглеводородных ресурсов континентального шельфа и материкового склона Мирового океана. Тесты направлены на оценку качества морской среды, а также токсичности промышленных и буровых шламов. При этом наиболее сложной проблемой тестирования морской среды остается выбор тест-объектов, которые в уже сложившейся практике биологического контроля представлены в основном пресноводными формами организмов. Поэтому в настоящий период при проведении биотестирования морской среды предпочтение отдается видам, естественно обитающим в данных акваториях.

3.2 Биотестирование загрязнения  воздуха

В настоящее  время серьезной проблемой становится загрязнение атмосферного воздуха, а, в частности, воздуха, которым мы дышим в помещениях, в том числе в рабочей зоне промышленных предприятий.

Для того чтобы  определить степень загрязнения воздуха в помещении тем или иным веществом методами биотестирования, важно найти тест-объект, который бы соответствовал всем требованиям, предъявляемыми данными условиями.

В качестве тест-организмов для оценки уровня загрязнения воздуха многие исследователи используют культурные злаки (рожь, пшеницу, овес, ячмень), кресс-салат и другие сельскохозяйственные растения, которые легко выращивать в лабораторных условиях. Эти изменения неспецифичны, т. е. нельзя сделать никаких выводов относительно воздействующего стрессора.

Кроме параметров, основанных на регистрации быстрой и замедленной флуоресценции, обычно учитываются линейный прирост, процент хлорозных и некрозных повреждений относительно плотности листа.

Однако известны растения, дающие специфическую реакцию на некоторые токсиканты, например табак сорта Bel WЗ. Он настолько восприимчив к содержанию озона в воздухе, что в промышленных странах его разведение было бы абсолютно нерациональным. Уже при слабом воздействии О3 через несколько дней по всей листовой пластинке (у молодых листьев только вблизи верхушки) густо образуются некротические пятна серебристого цвета. Для сравнения одновременно высаживают относительно устойчивый к озону сорт Веl В. При этом важны определенные условия выращивания.

Одним из широко распространенных методов биотестирования для оценки уровня загрязнения воздуха является трансплантационная лихеноиндикация. Метод состоит в том, что слоевища одного или нескольких видов лишайников вместе с субстратом трансплантируются на некоторое время в районы обследования. После требуемой экспозиции проводится оценка воздействия загрязнителей на трансплантанты каким-либо из методов. С этой целью измеряются скорости фотосинтеза, дыхания или фиксации азота, содержания хлорофилла, выход калия из клеток, изменение структуры клеточных элементов, а также другие морфологические и физиологические показатели.

Основными достоинствами  трансплантационной лихеноиндикации  считают:

1. Возможность  размещения слоевищ лишайников во всех местах, где желателен мониторинг качества воздуха, в том числе и там, где лишайники по тем или иным причинам отсутствуют.

2. В каждой  местности всегда можно найти  достаточное количество образцов массовых видов лишайников, чтобы обеспечить требуемую точность исследования и полноту охвата территории.

3. Во всех  тестируемых точках размещается  сравнительно однородный материал, собранный в месте с известными условиями существования, что позволяет более обоснованно интерпретировать результаты.

4. Возможность  выбора лучшего варианта эксперимента  для изучения конкретных местообитаний и реакции представителей тех или иных видов лишайников.

5. Возможность  установления темпов увеличения  уровней загрязнения, вызывающих повреждения лишайников.

6. Сокращение периода проявления реакции лишайников на загрязнения или другие изменения среды.

7. Возможность  обнаружения повреждений лишайников  уже через неделю с помощью некоторых достаточно чувствительных методов.

Также оценить  средний уровень загрязнения  воздуха в течение зимнего периода можно опосредовано, путем биотестирования снежного покрова. Многолетними исследованиями показано, что зимой наблюдается повышение концентрации различных химических веществ в атмосфере, обусловленное ухудшением метеорологических условий рассеяния примесей, увеличением количества промышленных выбросов, замедлением химических процессов трансформации веществ при низкой температуре воздуха. По этим причинам в снежном покрове городов накапливается основная масса атмосферных поллютантов.

Для биотестирования  проб воды используются различные гидробионты – водоросли, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы. Выбор фототрофных организмов в качестве тест-объектов обусловлен тем, что они являются первичным звеном трофической цепи и, как правило, оказываются основной мишенью токсичных антропогенных воздействий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Система биологического мониторинга включает в себя набор подходов, охватывающих разные стороны индивидуального развития организма, она обеспечивает разностороннюю интегральную оценку состояния живых организмов и качества среды в целом. Применение различных методов в отношении широкого спектра живых организмов позволяет дать реальную оценку воздействия на окружающую среду.

Большинство используемых методов просты и относительно недороги, пригодны для широкого использования, к тому же обеспечивают получение интегральной оценки качества среды, подверженной всему многообразию экологических изменений.

Физические  и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биомониторинг, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.