Оценка качества водной среды биоиндикационными методами

 

                               

 

Рисунок 7 - Тростник обыкновенный «Phragmitesaustralis»

 

Для озер олиготрофного  типа характерно присутствие лобелии  Дортмана, урути очередноцветковой. Степень их зарастания незначительна, растительные сообщества распространены весьма ограниченно. Фитоценозы в основном разрежены. Развитие растений удовлетворительное, величина фитомассы невелика.

Для водоемов мезотрофного и эвтрофного типов характерны нейтральная  или щелочная среда и малая  прозрачность. Показательно наличие рогоза узколистного «Typha angustifolia», стрелолиста плавающего «Sagittaria natans», элодеи канадской «Elodea canadensis».

 

 

 

 

2 ПОНЯТИЕ О биотестировании и основные

                тесТ - обьекты

 

 

  2.1 История развития  биотестирования

 

 

Биотестирование как способ оценки качества воды вошел в практику вначале ХХ веке, когда для токсикологической характеристики широко использовали «рыбную пробу». Первые биотесты на дафниях и циклопах были выполнены в 1918 г. В дальнейшем основным тест-объектом длительное время служила «Daphnia Magna»  (рисунок  8). С конца 1930-х годов в качестве тест-объектов стали использовать  гидробионты разного систематического  уровня  и с разными трофическими  связями.

В 1940 − 1941 гг. в  систему испытаний  включили простейших,  ракообразных,  червей  и  рыб.  За  биологические показатели оценки качества воды были приняты выживаемость, репродуктивность, выживаемость нарождающейся молоди, дыхательный и сердечный ритмы, потребление кислорода, выделение углекислого газа и аммиака как  конечных продуктов обмена, дыхательный коэффициент, темп роста и питания, кормовой коэффициент, увеличение массы и д.р.

 

                                

 

                                              Рисунок 8 – «Daphnia Magna»

 

В средние века был известен метод биотестирования, основанный на использовании канареек для индикации появления рудничного газа в горных выработках. Поведение птицы или её гибель оповещали шахтеров о грозящей им опасности.

Исследования  в области разработки и использования метода биотестирования  в  водоохраной  практике  проводились во  многих  научно-исследовательских и учебных институтах. В 1980 г. была признана необходимость применения биотестирования как показателя оперативной интегральной диагностики качества вод. В 1981 – 1986 гг. методики биотестирования были  апробированы и  рекомендованы для определения токсичности сточных  и  природных  вод.  По  итогам  апробации Всесоюзным  научно-исследовательским институтом по охране вод (ВНИИВО) – головным институтом по разработке и использованию методов определения токсичности вод.

В 1990  г.  было  подготовлено  и утверждено  Государственным комитетом СССР по охране природы «Методическое руководство по биотестированию воды» (РД 118-02-90). В этот документ вошли методики с использованием тест-объектов – представителей основных трофических звеньев водной экосистемы: водорослей, ракообразных и рыб. Позднее, для целей государственного экологического контроля Минприроды России, а затем Госкомэкологией России были подготовлены и утверждены методики для определения токсичности воды с использованием в качестве тест-объектов инфузорий и ракообразных  и для определения токсичности вод, почв и донных отложений – методика биотестирования по ферментативной активности бактерий. ПНД Ф Т – федеральный природоохранный  нормативный документ,  регламентирующий  токсикологические методы контроля. В настоящее время биотесты введены в стандарты на качество воды во многих странах мира.

 

 

2.2  Основные понятия и термины  биотестирования

 

 

Биотестирование как метод исследования используют специалисты различных областей науки: в экологической токсикологии для анализа вод и почв, в гуманитарной и ветеринарной медицине для исследования свойств внутренних сред высших организмов, в сельском хозяйстве для экспресс-тестирования кормов на общую токсичность, в химии для первичной оценки свойств новых веществ и так далее. При этом само понятие "биотестирование" зачастую истолковывают по-разному, приспосабливая этот термин к тому или иному узкому кругу задач и объектов, тем самым, обедняя его содержание и даже вкладывая в него различный смысл. Еще сложнее обстоит дело с производными терминами в этой области знания - они не только не имеют устоявшихся определений, но зачастую даже не являются общепринятыми. Комплексное рассмотрение биологических тестов позволило нам вычленить их общие черты и составить универсальную формулировку определения, в котором преодолены проблемы узости сферы использования биотестирования и адекватности описания биологической основы, на которой проводится тест. Итак, биотестирование - это оценка свойств изучаемого объекта по его воздействию на биологическую тест-систему (далее - тест-систему) в стандартных условиях. Данная формулировка включает в сферу рассмотрения любые методы, в которых для изучения какого-либо явления используются биологические объекты. Это позволяет анализировать и сопоставлять биологические тесты, применяемые в разных областях, с единой точки зрения.

Биотестирование – это метод анализа заключающийся в определении действия токсикантов на специально выбранные организмы в стандартных условиях с регистрацией различных поведенческих, физиологических или биохимических показателей. Биотестирование широко применяется для контроля качества природных и токсичности сточных вод, при проведении экологической экспертизы новых технологий очистки стоков, при обосновании нормативов предельно допустимых концентраций загрязняющих компонентов. Применение биотестирования имеет ряд преимуществ перед физико-химическим анализом, средствами которого часто не удается обнаружить неустойчивые соединения или количественно определить ультрамалые концентрации экотоксикантов. Довольно часты случаи, когда выполненный современными средствами химический анализ не показывает наличия токсикантов, тогда как использование биологических тест-объектов свидетельствует об их присутствии в исследуемой среде. Биотестирование дает возможность быстрого получения интегральной оценки токсичности, что делает весьма привлекательным его применение при скрининговых исследованиях.

При использовании  методов биотестирования оперируют рядом понятий и определений:

1) Тест-объект – это   живой организм, используемый в биотестировании. При выборе таких организмов приходится соблюдать определенные требования, среди которых возможность фиксировать четкий,  воспроизводимый  и объективный отклик на  воздействие внешних факторов, чувствительность этого отклика на малые содержания поллютантов и др.

2) Показатель  жизнедеятельности  водного  организма –  морфологическая, физиологическая, биохимическая или другая характеристика состояния водного организма.

3)  Тест-реакция (функция) – изменение (ответ) какого-либо показателя тест-объекта  под  воздействием  токсичных  веществ,  содержащихся  в  ОПС (воде, почве и воздухе).

4)  Тест-параметр – количественное выражение тест-реакции. Критерий токсичности – значение тест-параметра или правило, на основании которого делают вывод о токсичности исследуемой среды.

5) Измерительная система (прибор) – дает количественную величину ответной реакции тест-объекта на воздействие внешних факторов.

6) Концентрация средняя  летальная ( ЛК50) – концентрация  токсического вещества, вызывающая гибель 50 % тест-объекта при установленных условиях экспозиции в течение заданного срока наблюдений.

7) Концентрация средняя эффективная (ЭК50) – концентрация токсического вещества, вызывающая изменение тест-реакции на 50 % при установленных условиях экспозиции в течение заданного срока наблюдений.

8)  Воспроизводимость результатов биотестирования – характеристика качества  биотестирования,  отражающая  близость  результатов,  полученных по одной методике, на одном и том же эталонном веществе, но в различных условиях (разными операторами или в разных лабораториях, или в разное время).

9) Сходимость результатов биотестирования – характеристика качества биотестирования,  которая  отражает  близость  результатов,  полученных  по

одной методике, на одном и том же эталонном  веществе, в одинаковых условиях (в одной лаборатории, одним и тем же оператором, в одно и то же время).

 

 

2.3  Суть методологии биотестирования

 

 

Предлагаемая  система биомониторинга представляет собой комплекс различных подходов для оценки состояния разных организмов, находящихся под воздействием комплекса как естественных, так и антропогенных факторов. Фундаментальным показателем их состояния является эффективность физиологических процессов, обеспечивающих нормальное развитие организма. В оптимальных условиях организм реагирует на воздействие среды посредством сложной физиологической системы буферных гомеостатических механизмов.

Эти механизмы  поддерживают оптимальное протекание процессов развития. Под воздействием неблагоприятных условий механизмы поддержания гомеостаза могут быть нарушены, что приводит к состоянию стресса. Такие нарушения могут происходить до появления изменений обычно используемых параметров жизнеспособности.

Таким образом, методология биотестирования, основанная на исследовании эффективности гомеостатических механизмов, позволяет уловить присутствие стрессового воздействия раньше, чем многие обычно используемые методы. Таким образом, общая схема биотестирования выглядит следующим образом (Рисунок 9).

Для того чтобы  быть пригодными для решения комплекса  современных задач, методы биотестирования, используемые для оценки среды, должны соответствовать следующим требованиям: быть применимыми для оценки любых экологических изменений среды обитания живых организмов; характеризовать наиболее общие и важные параметры жизнедеятельности биоты; быть достаточно чувствительными для выявления даже начальных обратимых экологических изменений; быть адекватными для любого вида живых существ и любого типа воздействия; быть удобными не только для лабораторного моделирования, но также и для исследований в природе; быть достаточно простыми и не слишком дорогостоящими для широкого использования.

 

 

 

                              

                         Рисунок - 9  общая схема биотестирования

 

Одним из наиболее важных требований при оценке состояния  среды является чувствительность применяемых методов. Потребность в таких методах особенно возрастает в настоящее время, когда в силу повышенного внимания к проблемам охраны природы и в связи с развитием природоохранных мероприятий становится необходимым оценивать не только и не столько существенные, как правило, уже необратимые изменения в среде, но первоначальные незначительные отклонения, когда еще возможно вернуть систему в прежнее нормальное состояние.

Другое важное требование — универсальность как  в отношении физического, химического или биологического оцениваемого воздействия, так и типа экосистем и вида живых существ, по отношению к которым такая оценка проводится. Причем, это необходимо как в отношении отдельных агентов, так и кумулятивного воздействия любого их сочетания (включая весь комплекс как антропогенных, так и естественных факторов).

Система должна быть относительно простой и доступной, пригодной для широкого использования. В настоящее время существует ряд современных молекулярно-биологических тестов качества среды, но в силу высокой технологической сложности и стоимости их применение оказывается ограниченным. При этом возникает вопрос: нужно ли прибегать к таким сложным методам при решении общей задачи мониторинга состояния среды и нельзя ли получить сходную информацию более доступным способом.

 

 

 

         2.4 Тест-обьекты и применение их в биотестировании водоёмов

 

 

В отличие от биоиндикаторов, одним из основных требований к которым является толерантность, тест-обьекты обычно выбирают среди наиболее чувствительных к загрязняющим компонентам видов. Другое важное требование заключается в том, что воздействие на тест-объект токсиканта должно вызывать ответную реакцию, аналогичную или близкую к реакциям лабораторных животных. Знание механизмов специфического токсического действия позволяет ослаблять или усиливать действие токсиканта с помощью специально подобранных фармакологических средств. Если последние обладают селективностью, то в ряде случаев становится возможным с помощью тест-объектов не только обнаружить токсический эффект, но и произвести групповую идентификацию токсиканта. Усиление действия с помощью фармакологических средств позволяет снизить порог обнаружения токсиканта, не прибегая к его концентрированию (прием, обычный при инструментальном физико-химическом анализе примесей).

По  чувствительности  и  степени  изученности  среди  тест-организмов,  

используемых  для  биотестирования  водных  объектов,  выделяют  дафний «Daphnia magna» и «Daphnia рulex», несколько видов микроскопических одноклеточных зелёных водорослей  из  класса  протококковых – это «Scenedesmus quadricauda» и хлорелла «Chlorella» и пять-шесть видов рыб как аквариумных (гуппи, данио-рерио), так и мелких аборигенных (голец, гольян). Кроме того, для биотестового анализа можно использовать инфузорию туфельку – «Paramecium caudatum» (рисунок 10).

 

                              

 

             Рисунок 10 – Инфузория туфельки  «Paramecium caudatum»

 

Каждый из этих объектов имеет свои преимущества и ограничения  при использовании, и ни один  из организмов не может служить универсальным "тестером", одинаково чувствительным ко всем  ЗВ.  Однако  опыт  токсикологического  нормирования  показывает,  что при использовании этих видов методом биотестирования может быть охвачено более 80 % подлежащих контролю загрязняющих воду веществ. Отметим,  что  для  гидробиологического  анализа  качества  вод  могут быть использованы практически все группы организмов, населяющие водоёмы: планктонные и бентосные беспозвоночные с особой ролью простейших, водоросли, макрофиты, бактерии и грибы.               

Каждая из них, выступая в роли биологического индикатора, имеет свои преимущества и недостатки, которые и определяют границы  её использования при решении  задач биотестирования. Среди животных на клеточном уровне организации наиболее важное индикаторное значение имеют дафнии. Преимущество перед другими группами простейших  они имеют потому, что видовой состав и численность их наиболее четко соответствуют каждому уровню сапробности среды, они отличаются высокой чувствительностью к изменениям внешней среды и отчетливо выраженной реакцией на эти изменения, имеют относительно крупные размеры и быстро размножаются. Таким образом, метод  биотестирования  с  использованием  ветвитоусых  рачков  рода  «Daphnia»  очень удобен, так как дафнии широко распространены в природе, легко культивируются, обладают высокой  чувствительностью  к  токсикантам  различной  природы (вещества, токсичные для дафний: бихромат калия, медь,  кадмий, ртуть  и  их  комбинированное  (аддитивное) воздействие, а также хлор, тяжёлые металлы, пестициды, аммиак,  полихлорфенилы).