Исследование качества воды методом биотестирования. Методы биотестирования

Проблемы чистой воды и охраны гидросферы становятся все более острыми по мере развития научно-технического прогресса. Уже сейчас во многих районах земного шара наблюдаются большие трудности в обеспечении водопотребления и водопользования вследствие количественного и качественного истощения водных ресурсов. В первую очередь это связано с загрязнением водоемов и забором из них больших объемов воды (зарегулирование, переброска части стока рек и др.), ведущегося в интересах энергетики, орошения земель, навигации и в других целях.

Настоящая работа была выполнена по заданию Воронежского Областного Комитета по экологии и охране природных ресурсов. В его штате отсутствуют гидробиологи, однако результаты гидробиологического тестирования сточных вод очень важны и интересуют Комитет. Пробы для тестирования были предоставлены лабораторией Комитета, а небольшое количество дафний для разведения и дальнейшего использования в опытах – кафедрой зоологии беспозвоночных Воронежского государственного университета.

Для тестирования были взяты стоки вод в прудах-отстойниках шести сахарных заводов области.

Результаты экспериментов переданы в Областной Комитет по экологии и охране природных ресурсов.

Современное состояние проблемы загрязнения водоемов и очистки сточных вод

Загрязнение водоемов в наибольшей степени связано со сбросом в них промышленных, сельскохозяйственных и бытовых стоков, с попаданием загрязняющих веществ из атмосферы и в результате деятельности человека на самих водоемах. Во многих водоемах загрязнение настолько велико, что привело к полной деградации их экосистемы, потере их хозяйственной и ландшафтной ценности.

Под загрязнением водоемов понимается ухудшение их экономического значения и биосферных функций в результате антропогенного поступления в них вредных веществ.

Из загрязняющих веществ наибольшее значение для водных экосистем имеет нефть и продукты ее переработки, пестициды, соединения тяжелых металлов, детергенты, антисептики. Чрезвычайно опасным стало загрязнение водоемов радионуклидами. Значительную роль в загрязнении водоемов играют бытовые стоки, лесосплав, отходя деревообрабатывающих предприятий и многие другие загрязнения, не относящиеся к токсическим, но ухудшающие среду гидробионтов.

Сточные воды – это воды, использованные на бытовые, производственные и другие нужды и загрязненные различными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства, а также воды, стекающие с территории населенных пунктов и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц.

В зависимости от происхождения, вида и состава сточные воды подразделяются на три основные категории:

1. Бытовые (от туалетных комнат, кухонь, столовых, больниц. Они поступают от жилых и общественных зданий, а также от бытовых помещений промышленных предприятий)

2. Производственные (воды, использованные в технических процессах, не отвечающие более требованиям, предъявляемым к их качеству)

3. Атмосферные (дождевые и талые, вместе с атмосферными отводятся воды от полива улиц, от фонтанов и дренажей)

Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные смеси, содержащие примеси органического и минерального происхождения, которые находятся в нерастворенном, коллоидном и растворенном состоянии. Степень загрязнения сточных вод оценивается концентрацией, т. е. массой примесей в единице объема (мг/л). Наиболее сложны по составу сточные воды промышленных предприятий. На формирование производственных сточных вод влияют перерабатываемое сырье, технический процесс производства, применяемые реагенты, промежуточные изделия и продукты, состав исходной воды, местные условия и др.

Эти воды могут различаться по концентрации загрязняющих веществ, по степени агрессивности и т. д.

Водоемы загрязняются в основном в результате спуска в них сточных вод от промышленных предприятий и населенных пунктов. В результате сброса сточных вод изменяются физические свойства воды (повышается температура, уменьшается прозрачность, появляются привкусы, окраска, запахи), на поверхности водоемов появляются плавающие вещества, а на дне образуются осадки, изменяется химический состав воды (увеличивается содержание органических и неорганических веществ, появляются токсические вещества, уменьшается содержание кислорода, изменяется активная реакция среды и др.), изменяется качественные и количественные бактериальный состав, появляются болезнетворные бактерии. Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого и технического водоснабжения, теряют рыбохозяйственное значение.

Первые шаги к усовершенствованию процесса очистки сточных вод связано с прямым использованием природного самоочищения и фильтрационной способности почвы. Уже в 19 столетии вокруг крупных промышленных центров были выделены специальные земельные участки, которые служили для очистки сточных вод. Они получили название полей фильтрации и полей орошения. Но длительность срока очистки и большие земельные площади делают эти способы малоэкономичными при быстро развивающемся производстве. При таком способе очистки возникают так же определенные санитарно-эпидемиологические трудности.

Следующим этапом развития способов очистки сточных вод было использование биологических прудов. Процесс очистки воды в них проходит по принципу естественного очищения обычного для водоемов и только отчасти регулируется человеком. Так очищаются стоки мясокомбинатов, молочных и сахарных заводов, кондитерских и других предприятий. Нередко такие пруды обеспечиваются принудительной аэрацией и циркуляцией воды. Отрицательным моментом работы биопрудов является длительность процесса очистки, который продолжается до 30 суток. Процесс очистки считается окончательным при следах азота аммонийного в воде.

Технический прогресс и все усиливающийся процесс индустриализации привели уже в начале 20 века к необходимости изыскать более быстрые и экономичные методы очистки сточных вод.

Методы искусственной биологической очистки, основанные на активной деятельности живых организмов, остаются в настоящее время основными экономичными и эффективными, обеспечивающие наиболее полное разложение загрязнений по сравнению со всеми иными индустриальными методами.

3. Методы анализа и тестирования сточных вод

Среди методов гидробиологического анализа поверхностных вод сапробиологический анализ занимает одно из важнейших мест. Разработанный еще в начале 20 века ботаником Кольквитцем и зоологом Марссоном сапробиологический анализ продолжает успешно применяться в повседневной практике гидробиологического контроля качества поверхностных вод.

Первоначально под сапробностью понималась способность организмов развиваться при большем или меньшем содержании в воде органических загрязнений. Затем экспериментально было доказано, что сапробность организма обусловливается как его потребностью в органическом питании, так и резистентностью по отношению к вредным продуктам распада и дефициту кислорода в загрязненных водах.

Теперь установлено, что в ряду организмов олигосапробы-мезосапробы-полисапробы возрастает не только специфическая стойкость к органическим загрязнителям и к таким их последствиям, как дефицит кислорода, но и их неспецифическая способность существовать при резко различных условиях среды. Это положение значительно расширяет возможности использования сапробиологического анализа не только в случае загрязнения вод бытовыми стоками, но и при их промышленном загрязнении.

В классической системе показательные организмы разделяются на три группы:

1. организмы сильно загрязненных вод – полисапробионты, или полисапробы;

2. организмы умеренно загрязненных вод – мезосапробионты, или мезосапробы;

3. организмы слабо загрязненных вод – олигосапробионты, или олигосапробы.

Полисапробные воды характеризуются бедностью кислорода и большим содержанием углекислоты и высокомолекулярных легко разлагающихся органических веществ – белков, углеводов. Население полисапробных вод обладает малым видовым разнообразием, но отдельные виды могут достигать большой численности. Здесь особенно распространены бесцветные жгутиконосцы и бактерии.

Мезасапробные воды характеризуются энергичным самоочищением. Большой численностью обладают грибы, бактерии и водоросли. В этих водах обитают беспозвоночные организмы, а также нетребовательные к кислороду виды рыб. Деревенские пруды, рвы и канавы на полях орошения обычно содержат мазосапробные воды.

В олигосапробных водах процессы самоочищения протекают менее интенсивно, чем в мезосапробных. В них доминируют окислительные процессы, нередко наблюдается пресыщение кислородом, преобладают такие продукты как аммонийные соединения, нитриты и нитраты. В этих водах разнообразно представлены животные и растительные организмы.

Олигосапробные воды – это практические чистые воды больших озер. Если такие воды произошли путем минерализации из загрязненных вод, то для них характерна почти полная минерализация органических веществ.

Дафния является мезосапробным организмом. С ее помощью можно определить достаточно хорошую степень очистки сточных вод. Так как она очень чувствительна к изменениям водной среды мы можем определить и недостаточную степень очистки воды. Поэтому мы проводили биотестирование сточных вод методом Дафния.

4. Биотестирование сточных вод методом Daphnia

К настоящему времени апробированы и используются на практике большое количество предельно допустимых концентраций различных веществ, успешно внедряются в практику народного хозяйства также нормы предельно допустимых стоков.

При избыточном поступлении стоков с высокими концентрациями вредных веществ нарушаются природные качества воды, и она становится непригодной для выполнения биологических функций организма. Это отрицательно сказывается на состоянии и развитии всех водных организмов и приводит к негативным состояниям стабилизированных экосистем, структура которых в большинстве случаев упрощается.

Часть ее компонентов, в первую очередь полезных человеку, частично вымирает, а ограниченное число отдельных представителей флоры и фауны может интенсивно развиваться и способствовать ухудшению природных качеств вод.

Задача настоящей работы заключается в контроле качества сточных вод, выбрасываемых сахарными заводами области. Контроль производится одним из самых допустимых биологических методов на ветвистоусом рачке Daphnia magna из отряда листоногие раки.

Для проведения данной работы требуются следующие материалы и оборудование:

Микроскоп МБС, лупы, гидробиологический сачок для отлова дафний, сачки для переноса дафний в сосуд для биотестирования, аквариум-отсадник объемом 5 л, цилиндры мерные объемом 0,5-2 л, пипетки мерные на 1,2,10 мл, стаканы химические объемом 200,100,50 мл, воронки стеклянные, чашки Петри, фильтровальная бумага

5. Характеристика тест-объектов

Род Daphniaвключает 50 видов и имеет повсеместное распространение. В пресных водоемах нашей области широко распространены 5 видов дафний.

Рачки вида Daphnia magna имеют более крупные размеры и их применение в токсикологических экспериментах предпочтительнее. Они обитают в стоячий водоемах и слабопроточных водах, особенно часто во временных пересыхающих водоемах, лужах. На территории нашей страны распространены повсеместно, кроме Заполярья и Дальнего Востока. Являются типичными мезосапробами, переносят осоление до 6%.

Короткий биологический цикл развития позволяет проследить рост и развитие дафний на всех жизненных стадиях. В течение жизни дафнии выделяют ряд стадий, сопровождающихся линьками: первые 3 следуют через 20-24-36 часов, четвертая – созревание яиц в яичнике и пятая – откладка яиц в выводковую камеру следуют с интервалами 1 -1,5 суток. Начиная с шестой стадии, каждая линька сопровождается откладыванием яиц. Растет дафния наиболее интенсивно в первые дни после рождения, после наступления половозрелости рост замедляется. Новорожденная молодь имеет размеры 0,7-0,9 мм в длину, к моменту половозрелости самки достигают 2,2 – 2,4 мм, а самцы – 2,0 – 2,1 мм. Максимальная длина тела самок может достигать 6,0 мм.

При благоприятных условиях и в лаборатории дафнии большую часть года размножаются без оплодотворения – партеногенетически, производят потомство, состоящее из самок. При недостатке пищи, перенаселении, изменении температурных условий и уменьшения светового дня в популяции дафний появляются самцы, и дафнии переходят к половому размножению, откладывая после оплодотворения «зимние яйца» (1-2) в эфиппиум, образованный из части створок раковины самок.

Период созревания рачков при оптимальной температуре 20-220С с хорошим питанием – 5 -8 дней. Длительность эмбрионального развития обычно 3-4 дня, а при повышении температуры до 25-46 часов. По истечении этого времени происходит вымет молоди. Партеногенетические поколения следуют одно за другим каждые 3-4 дня. Формирование яиц в кладке прекращается за 2-3 дня до смерти. В природе дафнии живут в среднем 20-25 дней, а в лаборатории при оптимальном режиме 3-4 месяца и более. При температурах свыше 250С продолжительность жизни дафний может сократиться до 25 дней.

Источником питания дафний в природных водоемах являются бактерии, одноклеточные водоросли, детрит, растворенные органические вещества. Интенсивность потребления корма зависит от его характера, концентрации в среде, температуры и возраста рачков. Процесс питания дафний непосредственно связан с движением грудных ножек, направляющих ток воды во внутрь раковины. Пищевые частицы, отфильтрованные на «сите», поступают в продольный желоб и передаются ко рту рачка.

Функции грудных ножек связаны с процессами дыхания. В жабрах (овальные выросты ножек) происходит газообмен. Дафния устойчива к изменению кислородного режима (от 2 мг О2/л), что связано со способностью синтезировать гемоглобин. В условиях пониженной концентрации растворенного кислорода дафнии приобретают красноватый цвет, а при благоприятных условиях – розовато-желтый цвет.

В лабораторных условиях мы использовали дрожжевой корм, который готовили следующим образом: 1 г свежих или 0,3 г воздушно-сухих дрожжей заливали 100 мл дистиллированной воды. После набухания дрожжи тщательно перемешиваются. Отстаивают 30 минут. Добавляют надосадочную жидкость в сосуды с рачками в количестве 3 мл на 1 л воды.

Подготовка дафний к биотестированию проходила по следующей схеме: 30-40 рачков с выводковыми камерами полными яиц или зародышей на 3-4 суток до тестирования пересаживают в 1-2-хлитровые емкости (стаканы) с аквариумной водой, в которую перед посадкой дафний вносят корм. После появления молоди (каждая самка может выметать от 10 до 40 молодых дафний) взрослых особей удаляют с помощью стеклянной трубки, а одно-двухдневную молодь используют для биотестирования. Необходимое для тестирование количество дафний определяется числом контрольных проб воды и их разбавлений. Так, для тестирования одной пробы с одним повтором, в трехкратной повторности, потребуется 60 дафний (в каждый сосуд для тестирования помещают по 10 рачков)

6. Тесты токсичности на Daphnia

Существуют несколько тестов-методов определения токсичности природных и сточных вод на Daphnia, разработанных разными авторами. Мы пользовались тестом Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР 1986 года «Биотестирование сточных вод с использованием Daphnia»

При биотестировании определяют острое и хроническое токсическое воздействие вредных веществ на животных. За острое принимается действие, оказываемое сточной водой на Daphnia в течение от 10 минут до 96 часов и проявляющееся в их обездвижении или гибели. Перед биотестированием проводились подготовительные работы, включающие получение исходного материала для лабораторной культуры и ее выращивания. Для биотестирования отбирали пробу сточной воды из прудов отстойников шести сахарных заводов области. Для сравнения с фоном отбирали пробу воды вне зоны влияния сточных вод.

Пробы помещали в стеклянные емкости, которые заполняли под крышку, чтобы исключить доступ воздуха. Не допускается замораживание и консервирование отобранных проб. Биотестирование проводили сразу после отбора проб и доставки их в лабораторию. Запас воды для биотестирования хранили в холодильнике. Температура тестируемой воды +18-240С.

Биотестирование установившихся сбросов сточных вод производится для выявления и последующего осуществления контроля источников ЭВЗ (экстемально высокого загрязнения). Определяется острое действие тестируемых проб на дафний. Критерием острого токсического действия является выживаемость рачков, показатель выживаемости – количество выживших дафний за период тестирования. Тестируют сточную воду без разбавления и воду контрольную.

По 100 мл аквариумной и соответствующих проб воды наливают в сосуды для тестирования. В каждый помещают по 10 особей молоди дафний. Их вносят в сосуды для тестирования с помощью сачка диаметром 3-4 см из планктонного газа или пипеткой с резиновой грушей. Повторность трехкратная. Сосуды оставляют при рассеянном свете. Дафний в течение всего периода биотестирования не кормят. Подсчитывают количество погибших и обездвиженных дафний, последних включают в число погибших. Обездвиженным считается опустившийся на дно рачок, не поднимающийся в толщу воды через 10-30 секунд после встряхивания сосуда. Определяют количество выживших дафний. Учет проводят каждый час в течение первых 8 часов наблюдений, затем через 12 и 24 часа от начала тестирования, в последующем – в начале и конце рабочего дня.

7. Обработка и оценка результатов

Определяют среднюю арифметическую величину выживаемости дафний в тестируемой воде по сравнению с контролем и высчитывают процент отклонения от контроля. Тестируемая вода оказывает острое токсическое действие на дафний в том случае, если процент отклонения от контрольного показателя выживаемости дафний в течение 96 часов составляет менее 10. Результаты биотестирования выражают в баллах

В случае получения 0 баллов ситуация считается благополучной и не требует применения дополнительных водоохранных мер. При получении оценочного балла 1 ситуация считается неблагополучной и принимаются меры по улучшению работы имеющихся водоохранных сооружений. При оценочном балле 2 необходимо провести биотестирование соответсвующих проб воды для определения хронического токсического действия. Результаты биотестирования, выражающиеся в баллах 3,4,5 свидетельствуют о ситуации, которая может нанести существенный ущерб водному объекту и требуют принятия мер по организации дополнительных водоохранных мероприятий. Предприятия, на которых тестируемые пробы воды из контрольного створа водного объекта оценены баллом 3 и выше, включаются в перечень потенциальных источников ЭВЗ водных объектов и подлежат токсикологическому контролю

8. Выводы и предложения

В результате проведенных анализов были получены следующие результаты:

Без разбавления: Два сахарных завода (Эртильский и Грибановский) проводят сброс гипертоксических вод (5 баллов) в пруды-отстойники. Садовский сахарный завод проводит сброс высокотоксичных вод (4 балла), а три сахарных завода (Елань-Коленовский, Нижнее-Кисляйский и Перелешинский) проводят сброс среднетоксичных вод (3 балла) в пруды-отстойники.

При разбавлении 1:10: токсичность с гипертоксичной снижается до высокотоксичной.

При разбавлении 1:100: Гипертоксичность снижается, вода становится среднетоксичной.

Данные экспериментов были переданы в Областной Комитет по экологии и охране природных ресурсов. Все заводы занесены в перечень потенциальных источников ЭВЗ ввозных объектов и подлежат токсикологическому контролю.

Проведенная работа показала, что методика биотестирования проста и доступна. Ее можно рекомендовать для широкого применения в практике как специалистам гидробиологам природоохранных организаций и вузов, так и студентам вузов, техникумов и учащимся технических училищ и школ.

Значительное время контроль за загрязнением окружающей среды осуществлялся только физико-химическими методами, путем определения концентраций загрязнителей и соблюдением соответствия величин измеренных концентраций нормированных показателей предельно-допустимым концентрациям (ПДК). С развитием химической промышленности, синтезом новых соединений и их использованием в производстве перечень контролируемых загрязнителей в составе сточных вод увеличивается с каждым днем. Сегодня много загрязняющих веществ по разным причинам не контролируется: для одних не разработаны ПДК, для других отсутствуют утвержденные методики определения, а их воздействие испытывает окружающая среда. В результате поучается так, что широкий спектр соединений, токсичных веществ в водной, воздушной и почвенной средах не контролируется. Но и в случае контроля полного спектра соединений в среде на уровне ПДК нельзя утверждать об отсутствии вредного воздействия на окружающую среду. Так как информация физико-химических показателей не позволяет в принципе сделать вывод о совокупном воздействии загрязняющих веществ различной природы на живые организмы и степени их опасности.

Заполнить информационный аналитический вакуум о комбинационном воздействии загрязнителей признаны методы биотестирования. Особенность информации, получаемой с помощью методов биотестирования состоит в интегральном характере отражения всей совокупности свойств испытуемой среды с позиции восприятия ее живых объектом. И в отличии от физико-химических методов, посредством которых определяется валовое содержание того или иного загрязнителя, биотестовые методы анализа качества воды позволяют обнаружить физиологически активные формы соединений, влияющие на организм. Так, например, нет возможности разрабатывать ПДК веществ под различные значения рН среды, а именно изменение рН среды влечет за собой образование иных форм соединений, возможно более токсичных. Или же токсическое действие токсикантов усиливается в мягкой воде нежели чем в жесткой. А комплексное воздействие загрязнителей совсем непредсказуемо.

Изучено и выделены несколько вариантов воздействия токсикантов.

1. Антагонистическое воздействие токсикантов - возможно такое сочетание ионов в комбинации которых эффект токсичности будет меньше.

2. Аддитивный эффект - эффект токсичности суммы токискантов равен сумме эффектов токсичности.

3. Синергический эффект - неполное суммирование эффектов токсичности.

4. Сеисибилизационный эффект - комбинация токсикантов усиливает эффект токсичности.

Сегодня биотестовые методы, как необходимое дополнение к химическому анализу включены в стандарт по контролю качества вод различного назначения.

Принцип биотестирования сводится к регистрации изменения биомассы, выживаемости, плодовитости, а также физиологических или биохимических показателей тест-объекта в испытуемой среде.

В настоящее время в мире используется большое разнообразие тест-объектов: от одноклеточных водорослей, мхов и лишайников, бактерий и простейших микроорганизмов до высших растений, рыб и теплокровных животных.

В России в органах государственного аналитического контроля за качеством воды дафниевый тест рекомендован в качестве основного для контроля токсичности сточных вод и перспективного для оценки уровня токсического загрязнения природных вод. Дафниевый тест обязателен при установлении ПДК отдельных веществ в воде рыбохозяйственных водоемов.

Выбор тест-объекта определен следующим: 1) этот род ветвистоусых рачков распространен повсеместно в пресных водоемах, является важной составной частью зоопланктона, служит источником пищи молоди рыб; 2) легко культивируется в лабораторных условиях - испытания загрязняющих веществ можно проводить в течении года; 3) определяющая особенность -это то, что по характеру питания они являются фильтраторами и прокачивают большие объемы воды, отфильтровывая в качестве пищи бактерий и микроводоросли, поэтому, если в воде присутствует токсикант даже маленькой концентрации из-за объема отфильтрованной воды чувствительность тест-объекта высокая.

Дафниевый метод биотестирования основан на определении изменений выживаемости и плодовитости дафний при воздействии токсических веществ, содержащихся в тестируемой воде по сравнению с контролем.

Выделяют кратковременное биотестирование - до 96 час. Позволяет определить острое токсическое действие испытуемой воды на дафний по их выживаемости. Показателем выживаемости служит среднее количество особей, выживших в тестируемой воде или в контрольной за определенное время. Критерием токсичности является гибель 50% и более дафний за период времени до 96 час. в тестируемой воде по сравнению с контролем.

Длительное биотестирование - 20 и более суток - позволяет определить хроническое токсическое действие испытуемой воды на дафний по снижению их выживаемости и плодовитости. Показателем выживаемости служит среднее количество исходных самок-дафний, выживших в течение биотестирования, показателем плодовитости - среднее количество молоди, выметанной в течение биотестирования, в пересчете на одну выжившую исходную самку. Критерием токсичности является достоверное отличие от контроля показателя выживаемости или плодовитости дафний.

Выше было упомянуто о большом количестве тест-объектов, использующих в биотестировании и это неслучайно. Дело в том, что различные организмы по разному реагируют на загрязнители. И задача природоохранных органов правильно оценить ситуацию и выбрать более чувствительный тест-объект.

Пример. Результаты биотеетироваиия сточных вод завода,
синтезирущего биологические активные соединения гербицидного
направления, могут быть различными в зависимости от выбранного тест-
обьекта. Дафниевый тест может показать отсутствие токсического
воздействия, а культура водорослей может почувствовать токсикант.
Почему? Дело в том, что предполагаемый токсикант, синтезируемые
гербициды являются ингибиторами процессов фотосинтеза у растений и
водорослей. Поэтому дафнии могут в кратковременном опыте зафиксировать
отсутствие острого токсического воздействия, а водоросли в случае
нарушения работы фотосинтетической цепи оперативно отреагируют на
загрязненность.

Поэтому в системе контроля за качеством сточных вод также рекомендованы водоросли: хлорелла и сцепедесмус. Критерием токсичности при биотестирозании с использованием водорослей служит достоверное снижение количества клеток в испытуемой воде по сравнению с контролем.

С целью быстрого получения информации о качестве воды используются экспресс методы биотестирования.

В Москве разработан и выпускается мелкими.партиями прибор "Биотоке". Устройство Биотоке - это портативный биолюминометр,

позволяет с помощью биосенсора "Эколюм", светящиеся бактерии, производить быстрое и объективное определение индекса обшей токсичности водных образцов, включая металлы, препараты бытовой химии и т.д. Результаты токсичности пробы воды получают через 10 мин.

В Санкт-Петербурге выпускается прибор Биотестер. В качестве тест-объекта используют одноклеточные микроорганизмы - инфузории туфелька. Этот метод основан на хемотаксической реакции организмов в ответ на загрязнитель, т.е. движение культуры в благоприятную зону. Данная тест-реакция - хемотаксис, является очень чувствительной к токсикантам определенной группы.

В России биотестирование проводят аналитические лаборатории органов природоохраны для определения токсичности сточной воды (происходят ли патологические изменения или гибель организмов, обусловленные присутствием в ней токсических веществ) на сбросе в водный объект, воды в контрольном и других створах водопользования с целью проверки соответствия качества воды нормативным требованиям:

Сточная вода на сбросе в водный объект не должна оказывать острого токсического действия, а вода в контрольном и других створах водопользования - хронического токсического действия на тест-объекты.

В соответствии с "Методическим руководством по биотестированию воды РД 118-02-90", биотестирование является дополнительным экспериментальным приемом для проверки необходимости корректировки величин ПДС по интегральному показателю "токсичность воды", который позволяет учесть ряд существенных факторов: наличие в сточной воде токсических веществ, неучтенных при установлении ПДС, вновь образованных соединений, метаболитов, различные виды взаимодействия химических веществ. Необходимость корректировки величин ПДС возникает в том случае, если при биотестировании воды из контрольного створа водного объекта установлено несоответствие ее качества требуемому нормативу: вода в контрольном створе водного объекта не должна оказывать хронического токсического действия на тест-объекты (дафний и цероидафний).

Для оценки бактериального загрязнения используются санитарно-бактериологические и гидробиологические показатели.

Микронаселение природных вод чрезвычайно разнообразно. Его качественный и количественный состав определяется в первую очередь составом воды. Для глубоко залегающих, очень чистых артезианских вод характерно почти полное отсутствие бактерий вследствие защищенности водоносного слоя от контакта с лежащими выше горизонтами.

Особенностью состава воды открытых водоемов является изменение его по сезонам года: сопровождающееся изменениями в количестве и видовом разнообразии микронаселения. Бактериальная загрязненность поверхностных источников обусловлена, главным образом, поступлением в водоемы поверхностного стока, содержащего органические, минеральные вещества и микроорганизмы, смываемые с площади водосбора, и сточных вод.

С позиций санитарной микробиологии оценка качества воды проводится
с целью определения ее санитарно-эпидемиологической опасности или
безопасности для здоровья-человека. Вода играет важную роль в передаче
возбудителей многих инфекций; главным образом кишечных. Т.к. через воду
получают распространение брюшной тиф, дизентерия, холера,
инфекционный гепатит и т.д.

Прямое количественное определение возбудителей всех инфекций для контроля за качеством воды неосуществимо в связи с многообразием их видов и трудоемкостью анализа. В практической санитарной микробиологии поэтому прибегают к косвенным методам, позволяющим определить потенциальную возможность заражения воды патогенными микроорганизмами.

Санитарно-бактериологическая оценка качества воды основана на определении двух основных показателей; микробного числа и числа бактерий группы СоН.

Первый показатель даст представление об общей обсемененности воды аэробными сапрофитами, поэтому часто называется общим счетом аэробных сапрофитов или (кратко) общим счетом. Микробное число определяют методом посева на стандартную среду - мясопептонный агар (МПЛ).

Аэробные сапрофиты составляют только часть общего числа микробов в воде, но являются важным санитарным показателем качества воды, так как между степенью загрязнения ее органическими веществами и микробным числом существует прямая зависимость. Кроме того, полагают, что чем выше микробное число, тем больше вероятность присутствия в воде патогенных микроорганизмов. Микробное число водопроводной воды не должно превышать 100. В природных водах этот показатель изменяется в очень широких пределах для разных водоемов и по сезонам года для одного и того же водоема. В чистых водоемах число аэробных сапрофитов может исчисляться десятками или сотнями, а в загрязненных и грязных водоемах составлять десятки тысяч и миллионы.

По второму показателю - числу бактерий группы СоН (кишечная палочка) оценивают возможное присутствие в воде патогенных микроорганизмов.

Бактерии группы СоН относятся к семейству энтеробактерий. Это неспороносные палочки, факультативные анаэробы, сбраживающие лактозу и глюкозу при температуре 37°С с образованием кислоты и газа и не обладающие оксидазной активностью. Они являются постоянными сожителями кишечника человека и животных: постоянно и в большом числе выделяются во внешнюю среду; дольше, чем патогенные микроорганизмы, сохраняют жизнеспособность в этой среде; более устойчивы к хлору, чем возбудители большинства инфекций. Именно эти свойства бактерий группы СоИ обусловили возможность их использования в качестве санитарно-показательных микроорганизмов. Наличие коли-форм в воде говорит о ее фекальном загрязнении, а их число позволяет судить о степени этого загрязнения. Для количественного определения коли-форм применяют фуксин-сульфитный агар (среда Эндо).

Анализ водопроводной и чистой природной воды проводят после предварительного концентрирования воды на мембранных фильтрах.

Результаты выражают в виде коли-индекса - числа бактерий в 1 л воды.

Иногда делают пересчет, определяя коли-титр - наименьший объем воды (в мл), содержащий одну кишечную палочку. Коли-титр = 1000/коли-индекс.

Коли-индекс водопроводной воды должен быть не более 3. Допустимый коли-индекс воды источников водоснабжения зависит от предполагаемого способа очистки. Если намечается только хлорирование воды, то коли-индекс воды в источнике не должен превышать 1000 при полной очистке воды - 10000.

В особых условиях по санитарно-эпидемиологическим показателям прибегают к определению в воде - энтерококков, энтеровирусов сальмонелл и проводят исследования воды на патогенную микрофлору.

Поверхностные источники водоснабжения помимо санитарно-бактериологических тестов характеризуются также данными гидробиологических наблюдений. Микроскопированием пробы воды определяется число клеток фито- и зоопланктона. Эти показатели существенно изменяются по сезонам - как по количеству организмов, так и по их видовому разнообразию.

В весенне-летний период интенсивного развития водорослей (цветения водоема) содержание фитопланктона в поверхностных водах может достичь 50 тыс. клеток в 1 мл. Летом зоопланктон отличается большим разнообразием и представлен низшими ракообразными, коловратками, личинками моллюсков. В воде могут оказаться и бентосные организмы: черви, личинки насекомых. В зимний период в воде встречаются, в основном, низшие ракообразные. Число организмов зоопланктона обычно выражают числом экземпляров в 1 м3 воды. В воде источников встречаются также организмы, видимые невооруженным глазом. Их число оценивают числом экземпляров в 1 м3. Для рек средней полосы европейской части нашей страны концентрация зоопланктона составляет 100- 10000 экз. в 1 м воды. Обычно их в несколько раз меньше, чем организмов зоопланктона.

В питьевой воде планктонные организмы, так же как организмы видимые невооруженным глазом, должны отсутствовать.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

«Я утверждаю, что все рождающееся от земли живет за счет земной влаги,

и в каком состоянии находится эта влага, в таком

состоянии находится и растение»

Гиппократ

Ведение

Эти слова, сказанные Гиппократом еще в глубокой древности, не потеряли свою актуальность и сейчас. В наше время общество осознало опасность токсического загрязнения поверхностных вод и пришло к необходимости введения в практику мониторинга совершенно новых нетрадиционных подходов, в частности биологического тестирования. Биотестирование - исследование влияния различных веществ на живые организмы. Широкое внедрение методов биотестирования в практику оценки качества вод - настоятельная необходимость времени, так как никакая даже самая современная аналитическая химия не даст полной информации о токсичности среды. К тому же анализ существующих методов оценки качества природных вод показал, что биотестирование - наиболее точный, быстрый и дешёвый способ охраны природных вод.

В своем исследовании с помощью данного метода мы решили выяснить, в каком же состоянии находится вода нашего города, которую мы пьем и которой поливаем растения, используемые нами в пищу.

Гипотеза: с помощью методов биотестирования можно оценить степень загрязнения

природных вод.

Объект исследования: степень загрязнения природных вод г.Пятигорска.

Предмет исследования: однолетние растения семейства Злаковые (Gramíneae): овёс, ячмень, пшеница, однолетние растениясемейства Капустные, или Крестоцветные (Brassicaceae) - кресс-салат и редис.

Цель данной работы - оценить загрязнение природных вод г.Пятигорска по проросткам различных растений-индикаторов.

Задачи:

провести анализ теоретических подходов в изучении данной темы;

освоить методику биотестирования;

установить сезонную динамику токсичности природных вод г.Пятигорска;

определить зависимость развития тест-растений от токсичности природных вод.

1. Литературный обзор.

1. Методы биотестирования.

Одной из главных причин негативных последствий антропогенного загрязнения природных сред является токсичность загрязняющих веществ для биоты. Именно присутствие токсикантов в окружающей среде приводит к гибели всего живого, выпадению из состава сообществ организмов обитателей чистых зон и замене их эврибионтными видами. Существуют различные физические и химические методы определения токсичности окружающей среды, но в последнее время стали широко использоваться и биологические методы позволяющие провести оценку состояния живых организмов (Приложение 1).

Ведь говоря о загрязнении воды, почвы, атмосферы, об их токсичности мы имеем в виду, то насколько они благоприятны для обитания в них живых организмов, для здоровья человека.К числу наиболее радикальных приёмов относятся методы токсикологического биотестирования. Под биотестом понимается испытание в строго определённых условиях действия вещества или комплекса веществ на водные организмы посредством регистрации изменений того или иного биологического показателя исследуемого объекта по сравнению с контролем. Исследуемые организмы называются тест-объетами, а опыт биотестированием (Лысенко, 1996). Этот дешевый и универсальный метод в последние годы широко используется во всем мире для оценки качества объектов окружающей среды. В России с 1996 года начат эксперимент по внедрению методов биотестирования сточных вод, сбрасываемых в природные водоемы и подаваемых на сооружения биологической очистки. С помощью биотестирования можно получить данные о токсичности конкретной пробы, загрязненной химическими веществами антропогенного или природного происхождения. Этот метод позволяет дать реальную оценку токсичности свойств какой-либо среды, обусловленной присутствием комплекса загрязняющих веществ и их метаболитов. Живые организмы всегда в той или иной степени реагируют на изменение окружающей среды, но в ряде случаев это нельзя выявить физическими или химическими методами, так как разрешающие возможности приборов или химических анализов ограничены. Чувствительные же организмы - индикаторы реагируют не только на малые дозы экологического фактора, но и дают адекватную реакцию на воздействие комплекса факторов (Груздева, 2002). .

Биотестирование позволяет установить районы и источники загрязнения. В качестве тест-объектов используются бактерии, водоросли, высшие растения, пиявки, дафнии, моллюски, рыбы и другие организмы. В порядке возрастания толерантности к загрязнениям организмы располагаются в следующий ряд: грибы, лишайники, хвойные, травянистые растения, листопадные растения. Каждый из них имеет преимущества, но, ни один не является универсальным, самым чувствительным ко всем веществам. Для гарантированного выявления присутствия в природных водах токсического агента неизвестного химического состава нужно использовать набор тест-объектов, представляющих различные группы организмов. При выборе тест-организмов исходят из видовой токсичности возможных загрязнителей, особенностей водоема и требований водопотребителей. Для тест-организмов могут быть выделены частные интегральные тест-функции. Интегральные параметры характеризуют состояние системы наиболее обобщённо. Для организмов к интегральным относят характеристики выживаемости, роста, плодовитости. Частными для организма, например, могут быть физиологические, биохимические и гистологические параметры.

1. Биотестирование природных вод.

Биотестирование природных вод стало широко применяться в научно- исследовательских работах с начала 80-х годов (Приложение 2). Это объясняется существенным увеличением уровня загрязнения водных объектов и надеждами специалистов на то, что биотестирование сможет хотя бы частично заменить химический анализ вод, так как в водные объекты ежегодно сбрасывается около 55 км 3 сточных вод, из которых 20 км 3 загрязнен. (Степановских, 2001). До нормативного качества очищается лишь около 10% вод требующих очистки (Яблоков, 2005).

В 1991г. биотестирование введено как обязательный элемент контроля качества поверхностных вод, что предусмотрено «Правилами охраны поверхностных вод» (1991). Показатели биотестирования природных вод включены в перечень показателей для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия (Туманов, Постнов, 1983). Методы биотестирования представляют собой характеристику степени воздействия на водные биоценозы. Так, А.М. Гродзинский Д.М. Гродзинский (1973) описывают ряд биологических проб для тестирования токсичности природных вод. Согласно принятому определению, биотестирование воды - это оценка качества воды по ответным реакциям организмов, являющихся тест-объектами. Тест на прорастание семян применяется для установления воздействия различных физиологически активных веществ. В качестве индикаторов токсичности используются семена сельскохозяйственных растений. Среди сельскохозяйственных культур наиболее чувствительны салат, люцерна, злаковые, крестоцветные, а к нечувствительным видам относят кукурузу, виноград, розоцветные, подорожник (Рамад,1981). Методы биотестирования должны отвечать следующим требованиям: относительная быстрота проведения, получение достаточно точных и воспроизводимых результатов, наличие, пригодных для индикации объектов в большом количестве. В настоящее время хорошо известны методы биотестирования, ориентированные на определение токсичности водной среды, обусловленной присутствием определенных групп химических соединений, в частности фосфорорганических. Наиболее апробирован на природных водах ферментативный метод В.И. Козловской.

1. Достоинства методов биотестирования.

Главные достоинства биотестирования - простота и доступность приемов ее постановки, высокая чувствительность тест-организмов к минимальным концентрациям токсических агентов, быстрота, отсутствие надобности в дорогостоящих реактивах и оборудовании. По мнению ряда авторов ни один из отдельно взятых организмов не может служить универсальным тест-объектом к веществам различной химической природы, следовательно, для гарантированного выявления в среде токсичного агента должен использоваться набор биотестов (Брагинский и др. 1979; Лесников, 1983; Филенко, 1989).

Методами биотестирования выявляется токсичность, которая является интегральным показателем загрязнения природных сред. Как и все интегральные показатели, они имеют тот недостаток, что не раскрывают индивидуальные загрязняющие вещества, присутствующие в пробе. Работ по биотестированию водной среды опубликовано множество, но они были сделаны главным образом с целью оценки токсичности вновь синтезируемых химических препаратов, препаратов, приобретаемых по импорту, а также при разработке регламентов на химические соединения. Гораздо меньше публикаций по биотестированию сточных вод и ещё меньше - по биотестированию природных вод (Никаноров, Хоружая, 2001).

Методы биоиндикации, позволяющие изучать влияние техногенных загрязнителей на растительные и животные организмы на неживую природу являются наиболее доступными. Биоиндикация основана на тесной взаимосвязи живых организмов с условиями среды, в которой они обитают. Изменения этих условий, например повышение солености или рН воды может привести к исчезновению определенных видов организмов, наиболее чувствительных к этим показателям и появлению других, для которых такая среда будет оптимальной.

Существуют разные биологические индикаторы. О наличии некоторых загрязнителей можно судить по внешним признакам растений и животных. Благодаря «памяти» этих организмов, можно узнать и о роли тех факторов, которые в настоящее время уже не действуют. Например, появление черных пятен на листьях липы рассказывает о том, что в зимнее время дворники чрезмерно увлекались посыпанием снега солью для ускорения его таяния, о выбросах сернистого газа расскажут пятна на листьях подорожника большого. По ширине годичных колец сосен в окрестностях химического предприятия можно определить, в какие годы завод особенно сильно загрязнял среду. В годы сильного загрязнения атмосферы закладываются более тонкие кольца. По высоте некоторых растений можно судить о концентрации солей в воде. Так, например, тростник может достигать высоты 4 м, но если содержание солей в воде высокое — это растение не вырастет более чем на 0,5 м. Индикаторами загрязнения атмосферы являются некоторые мхи и лишайники. Например, при анализе лишайников в Швеции было установлено появление радиоактивной пыли от Чернобыльской АЭС. Существуют специальные живые приборы — бриометры — маленькие коробочки со мхами определенных видов, по которым определяют режим задымления атмосферы.

Практическая часть.

Исследования проводились по методикам , предложенным А.И. Федоровой и А.Н. Никольской в «Практикуме по экологии и охране окружающей среды», 2003, а также в учебном пособии для вузов «Экологический мониторинг» под редакцией Т.Я. Ашихминой, 2005.

Работа по изучению метода биотестирования токсичности природных вод по проросткам растений индикаторов выполнялась в течение 2015 года.

Все исследования по теме проводились в лаборатории кабинетов химии и биологии МБОУ СОШ №5 г. Пятигорска в дневное время, при сочетании искусственного и естественного освещения в стандартных, оптимальных для тест-растений условиях. Оценить уровень загрязнения водоемов можно, используя тест на прорастание семян. Такое тестирование проводится как предварительное для выявления особенно загрязненных водоемов с целью последующего химического анализа. В качестве тест-растений были использованы проростки высших растений: пшеницы, ячменя, овса, кресс-салата, редиса. Предлагаемый метод биологической оценки токсичности природных вод по проросткам растений индикаторов проводился в двух вариантах:

1.Полив проростков тест-растений испытуемой водой.

2. Накапывание испытуемого раствора между семядолями двудольных растений.

В качестве тест-растений в первом варианте применяли семена пшеницы, овса, ячменя. Во втором варианте были использованы только проростки двудольных растений: кресс-салата, редиса.

Из всех используемых в исследованиях растений кресс-салат обладает повышенной чувствительностью к загрязнению воды тяжелыми металлами. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти 100% всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей. Кроме того, побеги и корни кресс-салата под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям (задержка роста и искривление побегов, уменьшение длины и массы корней) (Голубкина, 2008). . С целью профилактики перед проращиванием семена протравливали. Сухие семена погружали в 1%-ный раствор марганцовокислого калия на 0,5 часа, а затем промывали дистиллированной водой, используя два слоя марли, обсушивали на фильтровальной бумаге на воздухе.

(1 вариант).

За 2-3 дня до опытов (сроки прорастания семян выяснялись заранее) семена тестовых объектов, пшеницы, овса, ячменя, замачивались на сутки в воде. Затем раскладывались пинцетом зародышем вверх (в одном направлении) в кювету, на дно которой был уложен слой гигроскопической ваты, а сверху - два слоя фильтровальной бумаги. Система увлажнялась водопроводной водой до полной влагоёмкости. Для этого вода наливалась под вату, а после её впитывания удалялся избыток. Кювета накрывалась плёнкой, края плёнки подгибались под кювету. Проращивание производилось при температуре +25 0 С - +26 0 С до размера основной массы проростков 10-15мм и появления корней, после чего ростки разделяют на фракции по длине.

В стаканчики помещают одинаковое количество промытого и покалённого песка, в каждый стаканчик высаживают по 10 одинаковых проростков тест-растений. Песок поливают сверху одинаковым количеством испытуемой воды из разных водоёмов. Повторность - трёхкратная. Контроль - полив отстоянной и очищенной водопроводной водой. После достижения ростками высоты 8-10см их выкапывают, обсушивают фильтровальной бумагой, разделяют бритвой на части (стебель, корни), измеряют и взвешивают. Данные обрабатывают статистически, выражают в процентах к контролю.

1. Метод полива проростков тест-растений испытуемой водой

(2 вариант).

Воду, взятую из различных источников, концентрируют упариванием в 10 раз, хранят в холодильнике. Стаканчики наполняют одинаковым количеством промытого и прокалённого песка, вставляют стеклянную трубочку до дна, через которую производят полив, отстоянной водопроводной водой. 18-20 штук всхожих семян (кресс-салат, редис) высевают на небольшую глубину. После того, как ростки взойдут и раскроются семядоли, в стаканчиках оставляют по 10 одинаковых растений, остальные выщипывают пинцетом. Полив субстрата для выращивания производят одинаковым количеством воды через трубочку, используя воронку из фольги. Через 2-3 недели осторожно выкапывают проростки, промывают, обсушивают фильтровальной бумагой, измеряют и взвешивают отдельно надземную часть и корни. Данные обрабатывают статистически, выражают в процентах к контролю.

1. Развитие проростков тест-растений при поливе их испытуемой водой (весенний период).

№ пробы, место взятия пробы	Тест -растение	Наземная часть, %
1.Река Подкумок
2. Новопятигорское озеро
4. Контроль - водопроводная вода

Токсическое действие пробы считается доказанным, если в эксперименте зафиксирован токсический эффект торможения роста проростков, а именно их корней на 50 % (Груздева, 2002).

Из данных таблицы 1 видно, что наиболее благоприятной для роста и развития проростков тест-растений является проба № 2 - Новопятигорское озеро. Орловка. По степени роста и вегетативной мощности проростков можно сделать вывод о том, что в пробе № 1 (река Подкумок) наблюдается торможение роста корней проростков больше чем на 50 % по сравнению с контролем, следовательно, токсичность пробы № 1 высокая. В пробе № 3 (река Юца), наблюдается торможение роста и надземной части и корней проростков больше чем в пробе №1, поэтому токсичность пробы № 3 очень высокая.

2.4. Развитие проростков тест-растений при поливе их испытуемой водой

(осенний период).

№ пробы, место взятия пробы	Тест -растение	Наземная часть, %
1.Река Подкумок
2. Новопятигор-ское озеро
3. Река Юца
4. Контроль - водопроводная вода

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что в осенний период в большей степени наблюдается угнетение развития проростков в пробе № 3 - река Юца, торможение роста корней проростков в данной пробе более чем на 60% по сравнению с контролем. В пробах № 1 - река Подкумок и №2 - Новопятигорское озеро, также отмечается снижение в развитии вегетативных органов проростков.

В ходе последующей обработки материалов, по результатам, полученным в первом варианте исследований, были построены диаграммы биотестовых испытаний.

Рис. 1 Соотношение длины проростков тест-растений при поливе их испытуемой водой (весна, осень 2015г.)

Рис. 2 Соотношение массы проростков тест-растений при поливе их испытуемой водой (весна, осень 2015г.)

Таким образом, из результатов, полученных в 1 варианте, можно сделать выводы:

токсичность природных вод в весенний период наиболее высокая в реках Подкумок и Юца;

наиболее чувствительны к токсичности воды проростки овса.

2.5. Развитие проростков тест-растений (весенний период).

№ пробы, место взятия пробы	Тест -растение	Наземная часть, %
1.Река Подкумок	Кресс-салат
2. Новопятигор-ское озеро	Кресс-салат
3. Река Юца	Кресс-салат
4. Контроль - водопроводная вода	Кресс-салат

По изменению надземной массы в опытных пробах по сравнению с контролем можно судить о токсичности данной пробы воды. Сильное угнетение надземной части растений тест-растений, более 20% по сравнению с контролем, показывает высокую степень токсичности пробы воды (Голубкина, 2008). Высокая токсичность наблюдается в пробе №3 - река Юца. У проростков наблюдается торможение развития надземной части на 53-55% больше чем в контрольной пробе. Пробы №1 - река Подкумок и №2 - Новопятигорское озеро также токсичны, но в меньшей степени.

2.6.Развитие проростков тест-растений (осенний период).

№ пробы, место взятия пробы	Тест -растение	Наземная часть, %
1.Река Подкумок	Кресс-салат
2. Новопятигор-ское озеро	Кресс-салат
3. Река Юца	Кресс-салат
4. Контроль - водопроводная вода	Кресс-салат

Из данных таблицы 4 видно, наиболее токсична проба №3 - река Юца. Токсична проба воды №1 - река Подкумок. Проба №2 - Новопятигорское озеро имеет очень слабую токсичность.

По результатам, полученным во 2 варианте исследований, были построены диаграммы биотестовых испытаний.

Рис. 3 Соотношение длины проростков испытуемой (весна, осень 2015г.)

Рис.4 Соотношение массы проростков испытуемой водой (весна, осень 2015г.)

По результатам исследований можно сделать выводы:

соотношение длины и массы проростков тест-растений зависит от токсичности природных вод, чем больше токсичных веществ в пробе воды, тем меньше длина и масса проростков тест-растений;

наибольшую чувствительность к токсинам проявляет растение кресс-салата.

токсичность природных вод выше в весенний период в пробах воды взятых из рек Подкумок и Юца;

менее токсична проба воды из Новопятигорского озера.

В результате проведённых исследований была освоена методика биотестирования токсичности природных вод, проведен анализ теоретических подходов в изучении данной темы и сделаны следующие выводы:

Выяснили, что токсичность природных вод водоемов г. Пятигорска изменяется по сезонам: в весенний период она больше, в осенний период токсичность уменьшается;

Установили, что развитие и рост проростков тест-растений напрямую зависят от степени токсичности природных вод, наибольшую чувствительность к токсинам проявляют растения кресс-салата и овса;

Определили, что при поливе проростков тест растений испытуемой водой в большей степени угнетается развитие корневой системы;

Опытным путем установили, что наибольшей токсичностью характеризуются пробы воды рек Юца и Подкумок, менее токсична вода из Новопятигорскаго озера.

Таким образом, гипотеза о возможности оценки с помощью методов биотестирования степени загрязнения природных вод нашла свое подтверждение. На данном этапе работы в результате проведенного эксперимента без специального дорогостоящего оборудования, приборов и реактивов были установлены уровни загрязнения воды г. Пятигорска.

Наша работа может иметь продолжение в следующем учебном году. Для устранения погрешностей результата, на базе лаборатории можно провести химический анализ воды и еще раз проанализировать ситуацию.

Данный метод анализа природных вод можно рекомендовать садоводам-любителям и всем интересующимся данной проблемой жителям нашего города.

Список литературы.

Вишнякова В.Ф. Экология Ставропольского края. - Ставрополь, 2000.

Голубкина Н.А. Лабораторный практикум по экологии.-М.,2008.

Гродзинский А.М., Гродзинский Д.М. Краткий справочник по физиологии растений. - Киев; Наукова думка, 1973.

Груздева Л.П. биоиндикация качества природных вод. // Биология в школе. 2002, № 6 с. 10

Денисова С.И. Полевая практика по экологии. - Минск, 1999.

Кулеш В.Ф., В.В. Маврищев Практикум по экологии. Минск, 2007.

Лысенко Н.Л. Биоиндикация и биотестирование водных экосистем.// Биология в школе. 1996, № 5 с.12

Никаноров А.М.,. Хоружая Т.А. Экология. - М., Приор, 2001.

Рамад Ф. Основы прикладной экологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

Трифонова Т.А., Селиванова Н.В., Мищенко Н.В. Прикладная экология. М., Академический проект.,2007.

Савельева В.В. География Ставропольского края. - Ставрополь, 2003.

Степановских А.С. Охрана окружающей среды.- М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.

Теоретические вопросы биотестирования. - Волгоград, 1983.

Фёдорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды. - М., Владос, 2001.

Филенко О.Ф. Методы биотестирования качества водной среды. - М.: МГУ, 1989

Яблоков А.В. Экология России: состояние перспективы. 2005.

Приложение 1

Таблица 1

Основные характеристики методов оценки токсичности вод

	Химические методы	Биологические методы
		Биоиндикация	Биотестирование
Тип индикации	Индикация воздействия	Индикация отклика	Индикация воздействия
Объект анализа		Водные сообщества
Цель анализа	Измерение концентрации химических веществ	Оценка состояния природных сообществ	Интегральная оценка токсичности на тест-организмах
Показатели токсичности	Превышение установленных регламентов	Негативные изменения в сообществах	Развитие патологических (вплоть до гибели) изменений у тест-организмов
Регламенты	Предельно допустимые концентрации	Не установлены	Отсутствие острого и хронического токсического действия
Метрологические характеристики	Погрешность, сходимость, воспроизводимость	Не установлены	Сходимость, воспроизводимость

Таблица 2

Область применения методов биотестирования токсичности водной среды

Объект биотестирования		Цель биотестирования	Тест-организм
Химические вещества		Рыбохозяйственное нормирование; контроль токсичности в международной торговле	Гидробионты - представители основных трофических уровней водных экосистем. Стандартный набор тест - организмов
Производственные, технологические и сточные воды (точечные источники загрязнения)		Оценка эффективности очистки, выявление опасных компонентов, регламентация сброса, экологическая паспортизация предприятий	Наборы биотестов
Природные воды (неточечные источники загрязнения)		Проверка соответствия качества воды установленным регламентам. Оценка токсикологического состояния водных объектов. Выявление зон экологического бедствия и чрезвычайных ситуаций	Наборы биотестов

Приложение 2

Фото№1. Проростки кресс-салата Фото№2. Проростки кресс-салата

(контроль) (опыт)

В качестве тест-объектов в водной токсикологии широко используются планктонные ветвистоусые ракообразные (Cladocera), в частности дафнии (лат. Daphnia).

Это обусловлено прежде всего тем, что:

Род Daphnia имеет очень широкое распространение в пресных водах и является ключевым звеном во многих водных пищевых цепях;

Вследствие прозрачности тела дафний, есть возможность визуального наблюдения за качеством эмбрионов, скоростью их созревания, темпом размножения, а также оценки физиологического состояния (сердцебиения, наполнения кишечника и т.д.) тест-объекта;

Есть возможность регулярной оценки народившейся молоди по ее морфологическим признакам, а также по выживаемости от родительского к дочерним поколениям;

Род Daphnia имеет относительно короткий жизненный цикл, что особенно важно для тестов на плодовитость;

Род Daphnia используется как один из наиболее чувствительных индикаторов (датчиков) присутствия в водной среде тяжелых металлов и фосфорорганических пестицидов .

Наиболее универсальным тест-объектом по чувствительности и адекватности реагирования на различные токсиканты признан вид Дафний - Daphnia magna Straus .

Рис.2.

Впервые этот вид Daphnia как тест-объект был использован в работе Э.Наумана в 1933 году. Дафнии широко применяются в биотестировании в таких странах мира, как США, Германия, Франция, Венгрия и др. Во многих из них дафния принята как стандартный тест-организм. В СССР начало подобных работ связано с исследованиями Н.С. Строгонова и его школы, Е.А. Веселова и Л.А. Лесникова. Дафнии как обязательный тест-объект включены в схему установления ПДК веществ-загрязнителей и сточных вод России .

Daphnia magna Straus имеет серо-желтую или красноватую окраску (при дефиците кислорода), не превышает 2-3 мм в длину, обитает в водоёмах, прудах, озерах почти повсеместно.

При благоприятных условиях в лаборатории дафнии большую часть года размножаются без оплодотворения, т.е. партерогенетически, производя потомство, состоящее из самок. Период созревания рачков при температуре 20±2 оС и хорошем питании - 5-8 дней. Длительность эмбрионального развития обычно 3-4 дня. По истечении этого времени происходит вымет молоди. Партеногенетические поколения следуют одно за другим каждые 3-4 дня .

Для культивирования дафний используется биологизированная вода из аквариума, кормом служат зеленые водоросли (хлорелла). Культуру выращивают в специальном климостате при температуре 20±2 оС и освещенности 400-600 лк при продолжительности светового дня 12-14 часов.

В токсикологических исследованиях на дафниях различают кратковременное (до 96 часов) и длительное (20 и более суток) биотестирование. Кратковременное биотестирование рассчитано на получение экспресс информации о состоянии проверяемого водоема, где основным показателем служит выживаемость гидробионта. Для более глубокого и тщательного исследования используют длительное биотестирование. Оно позволяет долговременный эффект действия токсикантов.

Большинство методов биотестирования с использованием дафний основывается на регистрации их смертности под воздействием загрязняющих веществ. Но еще до гибели тест-объектов токсиканты влияют на изменение их поведенческой активности. Под воздействием поллютантов у дафнии наблюдается либо резкое повышение двигательной активности, либо наоборот замедление. Таким образом фиксирование изменения плавательной активности дафний позволяет на ранней стадии определить токсичность воды.

Также было проведено несколько работ, в которых ставилось предположение, что траектория плавания дафнии является фрактальной структурой, а при внесении токсиканта фрактальная размерность меняется. (Shimizu, 2001).

Фрактал - математическое множество, обладающее свойством самоподобия, то есть однородности в различных шкалах измерения. Самоподобие является весьма общим свойством природных систем: бассейны крупных рек, пространственная структура колоний микроорганизмов и др. - обладают удивительной структурной универсальностью. Часто в этой связи говорят о фрактальности природных объектов. Термин «фрактал» и первые исследования с его использованием были проведены Бенуа Мандельбротом.

Фрактальная размерность - это мера геометрической сложности объекта. Следуя идее Мандельброта, фрактальную размерность можно определить методом подсчёта квадратов. Представим себе объект сложной формы, который сплошь покрыт квадратами, как миллиметровая бумага. Часть квадратов будет содержать элементы множества, другие квадраты будут пустыми. Число непустых клеток N зависит от формы объекта и от размеров квадратной ячейки E. Постулируется, что N пропорционально 1/ED (чем мельче решётка, тем больше непустых ячеек). Показатель степени D и является размерностью объекта. Например, для такой сплошной плоской фигуры, как круг, уменьшение размера решётки вдвое приведёт к увеличению количества непустых клеток в четыре раза (два в квадрате), потому что фигура обладает размерностью два. Для фрактала количество непустых клеток будет возрастать с несколько меньшим, дробным показателем степени. Описанная процедура не ограничивается математическими объектами или формами на плоскости. Аналогичным образом можно подсчитать фрактальную размерность реальных объектов, таких, как реки, облака, береговые линии, артерии или реснички, покрывающие стенки кишечника. Артерии человека, например, имеют фрактальную размерность порядка 2,7 .

Фрактальная размерность рассчитывается по формуле Каца и Георгия (1985):

FD= log (N)/ ,

где L - это общая длина плавательной траектории, D - это диаметр описанной траектории, N - количество сегментов.

В качестве токсиканта был использован пестицид Esfenvalerate. Представляет собой химическое действующее вещество пестицидов (пиретроид), используется в сельском и личных приусадебных хозяйствах для борьбы с вредными насекомыми.

Препараты на основе эсфенвалерата проявляют сильную поражающую активность как при наружном контакте, так и при попадании в пищеварительную систему членистоногих вредителей. Защита растений происходит также при помощи репеллентного, парализующего и антифидантного действия.

Препараты имеют достаточно длительный эффект последействия даже в условиях прямого солнечного освещения. Защитное действие длится около 15 дней.

Эсфенвалерат гидролитически устойчив. При попадании в водоем сохраняется в воде до 10 суток, при этом испарение не будет играть особой роли в его исчезновении. Лабораторные исследования показывают, что эсфенвалерат является весьма токсичным для водных организмов .

При оценке экологической ситуации необходимо учитывать токсичность как анализируемых групп загрязняющих веществ, так и продуктов их метаболизма. Некоторые поллютанты в природной среде под воздействием ультрафиолетового излучения, при смене кислотно-щелочных условий и т. п. могут образовывать вещества более токсичные по сравнению с исходными. Кроме того, часто за рамками аналитических исследований, в силу научно-методических сложностей изучения, остается комбинированный эффект загрязняющих веществ, проявляющийся в аддитивности, потенцировании и ингибировании действия. В связи с этим в дополнение к обычным методам химико-аналитического контроля, применяемым для решения задач определения источников загрязнения, оценки качества состояния окружающей среды или экологического мониторинга, эффективно использование методов биотестиро- вания.

Биотестированием называется метод определения степени токсического воздействия физических, химических и биологических факторов среды, потенциально опасных для живых организмов данной экосистемы. Биотестироваиие осуществляется экспериментально в лабораторных или в естественных условиях путем регистрации изменения биологически значимых показателей исследуемых природных или природно-техногенных объектов с последующей оценкой их состояния в соответствии с выбранными критериями токсичности. По сути, биотестирование - это определение токсичности пробы (воды, почвы, донных осадков и т. д.) для данной культуры организмов в экспериментальных условиях.

Тест-объектами (организмами) могут быть бактерии, дрожжи, простейшие, водоросли, пиявки, моллюски, рыбы и т. д. Кроме того, наравне с целостными организмами в качестве тест-объектов выступают отдельные органы, ткани или клетки. Биотест ставится па определение общей токсичности, па мутагенность и канцероген- ность. В первом случае фиксируются показатели гибели организмов, морфологические нарушения, морфофункциональные изменения и отклонения в их поведении и двигательной активности. Изучение мутагенности и каицерогеииости проводится посредством кратковременных тестов по фиксации хромосомных повреждений, генных мутаций и повреждений ДНК с оценкой опасности вещества. Метод биотестирования иногда рассматривается в качестве альтернативы системе предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в различных компонентах окружающей среды, что, по мнению ряда исследователей (Опекунов, 2014), по своей научно-методической сути является мало обоснованным.

Воздействие па тест-объект может осуществляться посредством имитации всех возможных путей поступления вредного вещества в организм. Основными тестируемыми средами являются вода, реже атмосферный воздух. Возможно также изучение опосредованного воздействия на тест-объект твердых компонентов окружающей среды: почв, дойных осадков, грунтов. В этом случае используют поровые воды этих сред или водные вытяжки из них, получаемые с использованием общепринятых методик. Кроме того, биотесты могут проводиться в фазе взвешенных частиц. Однако основным объектом применения методов биотестироваиия являются все же сточные и природные воды.

В последние годы методы биотестироваиия стали активно применяться при оценке качества морской среды. В первую очередь это связано с масштабным освоением нефтеуглеводородных ресурсов континентального шельфа и материкового склона Мирового океана. Тесты направлены па оценку качества морской среды, а также токсичности промышленных и буровых вод 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 биотестироваиия морской среды предпочтение отдается видам, естественно обитающим па данных акваториях.

В основе методики биотестироваиия лежит сравнение тестируемых образцов с контрольными пробами в течение определенного времени. При этом могут проводиться экспериментальное биотестироваиие (до нескольких часов), оценка острого токсического воздействия (в течение 1-3 суток экспозиции), хронического токсического воздействия (через 7-10 суток экспозиции), а также прогноз отдаленных последствий (через 2-3 педели экспозиции). Всего к настоящему времени разработано более 50 стандартов.

Наиболее часто используемым тест-объектом является рачок Daphnia тадпа , который применяется при контроле токсичности сточных вод и выявлении источников загрязнения. Широкую апробацию получили тесты на поведенческие и физиологические реакции рыб (метод рыбной пробы), в частности на реакцию ухода рыбы из опасной зоны. В качестве показателей токсичности среды используются также изменения двигательной функции пиявок, реакции закрытия створок моллюсков, скорости потребления кислорода голотурией и др.

Для определения токсичности природных пресных вод и дойных отложений, сточных вод и отработанных буровых растворов МПР РФ (2002) рекомендовано применение методик биотестирования по снижению уровня биолюминесценции бактерий Photobacterium phosphoreum , уменьшению прироста количества инфузорий Tetrahymena pyriformis , угнетению роста пресноводных водорослей Scenedesmus quadricauda, гибели ракообразных Daphnia тадпа и Ceriodaphnia affinis, выживаемости и плодовитости ракообразных Ceriodaphnia affinis, гибели рыб гуппи Poecillia reticulata.

Оценку токсичности морских вод и донных отложений, сточных вод разной степени солености и отработанных буровых растворов, сбрасываемых в морские воды, МПР РФ рекомендуется проводить с помощью методик биотестироваиия по угнетению роста одноклеточных морских водорослей Phaeodactilum tricomutum , гибели ракообразных Artemia salina и рыб Poecillia reticulata, снижению уровня биолюминесценции бактерий Photobacterium phosphoreum.

Анализ флуоресценции водорослей и высших растений используется в целом ряде биологических тест-систем, применяемых в экотоксикологии. По интенсивности флуоресценции, возбуждаемой постоянным светом, можно определить в морской воде концентрацию хлорофилла при низких ее значениях (до 0,05 мг/м 3 хлорофилла а). Изменения флуоресценции при варьировании интенсивности возбуждения могут служить показателем фотосиптетической активности и физиологического состояния фотосинтезирующих организмов. Методика измерений обилия и индикации изменения состояния фитопланктона в природных водах флуоресцентным методом (ФР.1.39.2011.11246, ПНДФ 14.2.268-2012) допущена для целей государственного экологического контроля по разделу «Количественный химический анализ вод» (Котелевцев и др., 2012). В целом метод позволяет дать интегральную оценку качества природной воды, поскольку изменение фотосинтетической активности может быть вызвано и ее загрязнением, и неблагоприятными факторами среды, такими как высокая температура и соленость, недостаток элементов минерального питания и др. (Мелехова, 2007; Кузнецова и др., 2011). В современной практике широко используются стандартизированные методы биотестирования токсичности проб поверхностных пресных, грунтовых, питьевых, сточных вод, водных вытяжек из почвы, осадков сточных вод и отходов на пресноводных зеленых микроводорослях рода Chlorella и Scenedesmus , культивируемых по общепринятой методике. Основными показателями токсического действия служат рост и выживаемость культуры, изменение уровня флуоресценции хлорофилла и численности клеток водорослей (К). С. Григорьев // ПНД Ф Т 14,1:2:4,10-04, М.2004 ФР. 1.39.2007.03223; Н.С.Жмур, Т. Л. Орлова // ФР.1.39.2007.03223/2007 и др.). В последнее время появились работы по биотестированию влияния наиочастиц на экосистемы (рис. 26). Перспективными объектами для тестирования наноматери- алов считаются водоросли, в которых в качестве биосеисоров токсикологического воздействия исследовались ингибирование роста, изменение морфологии клеток и флуоресценция (Котелевцев и др., 2012). Так, например, обнаружено влияние наиочастиц серебра, иаиотрубок, ианоалмазов и наиокомпозитов на флуоресценцию водорослей Chlorella vulgaris и Chlamydomonas reinhardtii (Маторин и др., 2009).

Для комплексного экологического мониторинга изменения морской среды в районах разработки морских нефтегазовых месторождений С. А. Патин (1997) предлагает использовать тест-реакции бактерий, простейших Stylonichia mytilis, Tintinnop-

Рис. 26.

sis biroidea, Noctiluca seintillans, Cristigera , одноклеточных водорослей Coscinodis- cus, Ditylum, Gyrodinium, Exuviella , макрофитов , зоопланктона Acartia, Eurotimora, Tigriopus, Calanipeda, Artemia salina , рыб Salmo gairdner, Trachurus trachurus, Limanda limanda, Gadus morhua, Scophthalmus ma- ximus, Sprattus sprattus, Spicara smarts и макробентоса и др. (табл. 10).

Для определения токсичности техногенно загрязненных почв широко применяются измерение всхожести семян и длины корней проростков высших растений (РД 52.18.344-93, ИСО 11269 и др.). В частности, с этой целью изучаются семена овса Ovena sativa (Методика СПб НИЦЭБ РАН, ФР. 1.39.2006.02264), редиса Raphanus sativus (Нечаева и др., 2010; Воронина, 2013), кресс-салата Lepidium sativum (Ерем- ченко, 2013; Зейферт и др., 2013; Майстренко и др., 2013), гороха Pisum sativum (Крятов и др., 2013), горчицы Brassica juncea L. (Лисовицкая, 2013), сосны обыкновенной Pinus sylvestris (Фрейберг и др., 2002; Стеценко, 2004) и др.

Для оценки устойчивости растений к повышенному содержанию в среде ТМ в лаборатории экологии растительных сообществ Ботанического института АН СССР была разработана модификация метода корневого теста (Алексеева-Попова, 1985, 1991). Благодаря простоте и оперативности (экспрессиости), достаточно высокой чувствительности он является наиболее широко применяемым в вегетационных опытах. Это экспресс-метод определения устойчивости объектов на проростках в течеТаблица 10. Рекомендуемые группы и виды морских организмов и их тест-реакции для использования при биотестировании в системах комплексного экологического

мониторинга (Патин, 1997)

Группа и вид тест-организмов	Тестируемая среда	Тест-реакция и показатель
Гетеротрофный микропланктон, бактерии	Вода, поверхностный микрослой толщиной около 1 мм (ПМС)	Изменение динамики ВПК, видового доминирования, скорости разрушения субстратов, мутагенной активности
Простейшие (Stylonichia mytilis, Tintinnopsis biroidea, Noctiluca seintillans, Cristigera)	Донные осадки, норовые воды, элюаты, шламы, стоки	Снижение выживаемости, изменения темпов размножения и скорости роста, нарушения подвижности и морфологии
Одноклеточные водоросли, региональные доминанты (Coscinodiscus, Ditylum, Gyrodinium, Exuviella идр.)	Вода, стоки	Изменение скорости деления и численности клеток, нарушения интенсивности фотосинтеза и флуоресценции, аномалии пигментного состава и др.
Макрофиты (Laminaria, Macrocystis pyrifera и др.)	Вода, стоки	Изменение скорости роста, нарушения оседания зооспор, морфологические и электрофизиологи- ческие аномалии
Зоопланктонные фильтраты (Acar- tia, Eurotimora, Tigriopus, Calanipe- da, Artemia salina и др.)	Вода, ПМС, стоки	Снижение выживаемости и плодовитости, нарушение воспроизводства, поведения и трофической активности, морфологические и другие аномалии
Рыбы (икра, личинки, молодь) (Sal- mo gairdner, Trachurus trachurus, Limanda limanda, Gadus morhua, Scophthalmus maximus, Sprattus sprattus, Spicara smarts и др.)	Вода, ПМС, стоки	Повышение смертности и частоты морфологических аномалий, нарушения питания, роста, дыхания, поведения, физиологических и других показателей
Макробентос (взрослые эмбрионы, личинки) (Mytilus edulis, Crassostrea gigans, Macoma, Echinocardium, Arenicola и др.)	Вода, ПМС, донные осадки, стоки, шламы	Снижение выживаемости, нарушение размножения, замедление роста, поведенческие, физиологические и другие отклонения от нормы

ние 2-3 недель: состав контрольного раствора позволяет выращивать растения разных таксонов и опробовать большой диапазон концентраций металлов. В условиях одного опыта возможна оценка специфичности действия отдельных металлов, а также сравнение устойчивости разных видов и популяций одного вида к определенному металлу. Под воздействием токсичных концентраций ТМ наблюдается ингибирование ростовых процессов. Снижение прироста корней коррелирует с концентрацией металлов, причем реакция корней ярко проявляется даже при незначительном увеличении дозы металла. С помощью метода корневого теста установлены меж- и внутривидовые различия устойчивости к Си, Ni, Mn, Zn, Pb и Сс1 растений различных систематических таксонов (злаков сем. Роасеае - пшеницы, овса, ячменя; двудольных -сем. бобовых Fabaceae, сем. крестоцветных Brassicaceae , сем. сложноцветных Asteraceae , сем. губоцветных Lamiaceae и др.). Результаты проведенных лабораторных исследований позволяют рекомендовать метод корневого теста для выделения металлоустойчивых популяций видов, пригодных для выращивания па сельхозугодьях в загрязненных условиях, а также для рекультивации нарушенных земель.

Биотестирование является значительно более оперативным способом оценки качества вод по сравнению с традиционными подходами к контролю состояния окружающей среды. Этот способ менее дорогостоящ, а методы его проведения и результаты более доступны для понимания неспециалистом. Методы биотестироваиия постоянно совершенствуются, предлагаются новые подходы и аппаратура для проведения экспериментов, проводится их аттестация и патентование (Григорьев, Шашкова, 2006; Жмур, 2007; Жмур, Орлова, 2007; Маячкина, Чугунова, 2009; Мальцева, Охапкина, 2010; Григорьев, Тютькова, 2011; Бардина и др., 2013; Григорьев, 2013 и др.).

В настоящее время как в России, так и за рубежом интенсивно развиваются исследования по созданию средств автоматического контроля загрязнения акваторий в режиме реального времени. Наиболее перспективными в этом отношении считаются методы, основанные на измерениях реакций физиологических и поведенческих биомаркеров (Куриленко, 2004; Кармазинов и др., 2007; Холодкевич и др., 2006, 2011 и др.). Чаще всего используются методы регистрации кардиоактивности бентосных беспозвоночных с жестким наружным покровом, например раков, крабов, моллюсков. В каждой конкретной акватории в качестве «вида-мишени» могут выступать различные представители бентосных сообществ. Так, например, в настоящее время на всех водозаборах водопроводных станций Санкт-Петербурга применяется разработанная в СПб НИЦЭБ РАН установка биологического мониторинга качества воды, осуществляющая в реальном времени определение токсичности воды, поступающей из реки Невы. В качестве биомаркеров используются частота сердечных сокращений и стресс-индекс - одна из важнейших характеристик вариационной пульсометрии. Непрерывность и бесперебойность измерений этих физиологических параметров обеспечивается с помощью специальных проточных аквариумных систем, содержащих по три пары речных раков Pontastacus leptodactylus Esch.

В целом при оценке уровня токсичности среды метод биотестироваиия, как дополняющий химико-аналитический комплекс, обладает рядом несомненных достоинств:

• 1) тест-объект, как правило, реагирует на относительно слабые антропогенные нагрузки вследствие эффекта кумуляции дозы вредного воздействия;
• 2) в тесте суммируется действие всех без исключения биологически вредных антропогенных факторов, включая физические и химические воздействия;
• 3) по результатам тестов достаточно надежно вскрываются тенденции изменения ситуации в окружающей среде.

Однако выявлен и целый ряд трудностей применения обсуждаемого метода. Существенной проблемой использования простейших организмов является их несопоставимость с многоклеточными, реакция которых па те же самые изменения в водной среде может быть отличной. Так, например, для инфузории реакция на ТМ отмечается уже при концентрациях па несколько порядков ниже ПДК в воде. В отношении биогенных соединений всё наоборот: реакция проявляется при концентрациях, па несколько порядков превышающих ПДК. Кроме того, недостатками метода являются низкая надежность, сложность трактовки результатов и их переноса с одного вида на другой, отсутствие разработанных оценочных шкал. Все это сильно осложняет процесс стандартизации метода, без чего сам механизм государственного тестового контроля отладить практически невозможно.

Во избежание хотя бы части перечисленных трудностей в последние годы специалистами предлагаются новые научно-методические подходы к выбору тест-организмов на основе эволюционных, физиологических, психо-поведенческих и других особенностей (Зайцева, Ковалев, 1994). Суть этих предложений заключается в учете основных особенностей адаптационных процессов и данных о чувствительности и резистентности тест-организмов, во введении в практику биотестировапия элементов отологического анализа, а также в правильности определения сроков тестирования. По перечисленным критериям наиболее подходящими являются беспозвоночные гидробиоиты (ракообразные и брюхоногие моллюски), обладающие достаточно высоким уровнем организации. Применительно к тестированию дойных осадков в качестве тест-объектов рекомендуются донные беспозвоночные (Гудимов, Гудимова, 2002). Обосновывается целесообразность одновременного с общей оценкой токсичности вод проведения тестов па загрязняющие вещества. В этом случае может быть использована способность некоторых организмов реагировать па конкретные поллютанты. Серьезные усилия необходимо приложить к разработке единых шкал биологической оценки токсичности сред.

Кроме того, при проведении биотестирования твердых компонентов необходимо учитывать несколько аспектов. Во-первых, результаты определения токсичности почв и водных вытяжек из них методом биотестирования в некоторых случаях могут существенно различаться (Бакина и др., 2004; Маячкина, Чугунова, 2009). Например, токсичность почв, определяемая методом проращивания семян высших растений непосредственно в почве, выше, чем токсичность водных вытяжек из этих же почв, определяемая па традиционных для водной токсикологии тест-объектах. Разница результатов особенно велика при загрязнении почв токсикантами, малорастворимыми в воде, например пефтыо или продуктами гидролиза иприта. Во-вторых, при определении степени токсичности почв методами биотестирования большое значение имеет чувствительность подопытных организмов к токсикантам. Наиболее корректный результат достигается при использовании нескольких тест-объектов из разных систематических групп. В нормативных документах рекомендовано использовать как минимум два тест-оргаиизма. В научной литературе опубликованы разработки по созданию тест-системы, состоящей из трех-четырех представителей животного и растительного мира. Так, например, в качестве тест-организмов могут быть задействованы представители трех трофических уровней: продуцентов - Triticum vulgare L коисумеитов - Daphnia magna Straus, Paramecium caudatum ; редуцентов - почвенные микроорганизмы (Бардина и др., 2013; Капелькииа и др., 2013). Показательны проведение биотестирования, например, с аквариумными рыбками гуппи, моллюсками и рачками дафнии или применение системы Paramecium caudatum - Chlorella vulgaris - Escherichia coli. При этом используются следующие критерии: в случае гибели 50% особей одного организма вода оценивается как слабо токсичная, в случае гибели 50% особей всех испытуемых видов - как сильно токсичная.

Верификация комплекса биоиидикациоииых методов для оценки состояния окружающей среды может проводиться как в лаборатории в условиях контролируемого эксперимента, так и с помощью различных статистических приемов оценки достоверности взаимосвязи индикатора с объектом индикации. К их числу относятся регрессионный, факторный и кластерный анализы. Выбор метода зависит от конкретных задач и масштабов индикационной оценки территории.

Таким образом, в настоящее время разработано и широко используется в практике экологического мониторинга большое количество методов и приемов биоииди- кации. Фитоиндикационный метод позволяет оценить комплексное антропогенное воздействие и его экологические последствия в естественных природных и техно- генно нарушенных ландшафтах. Он незаменим при выполнении изысканий в труднодоступных районах и там, где отсутствуют посты мониторинговых наблюдений. В зависимости от интенсивности антропогенной нагрузки комплекс методов фитоиндикации изменяется. Физиологические и биохимические признаки индикаторных видов позволяют установить нарушения на ранних стадиях антропогенного воздействия па экосистемы. Морфологический анализ и использование тест-объектов рекомендуются во всех типах экосистем для получения оценки комплексного антропогенного воздействия. Применение тест-объектов в условиях опыта позволяет установить количественные связи в системе «доза -эффект». Для экспресс-оценки экологического состояния индустриальных регионов с разной степенью нарушенное™ перспективно применение различных фитоиидикациоиных методов. Флористический и фитоцеиотический методы могут быть использованы в районах природных геохимических аномалий и в слабоиарушениых природных экосистемах. Морфологический анализ и применение тест-объектов рекомендуются во всех типах экосистем для получения качественной оценки комплексного антропогенного воздействия. Для количественной характеристики и идентификации источника загрязнения в комплекс методов должен входить анализ содержания поллютантов.

В слабоиарушениых природных экосистемах под влиянием локальных источников загрязнения фитоиидикация направлена на контроль за одним или несколькими основными факторами антропогенного воздействия. В зависимости от характера источника загрязнения система рекомендуемых методов фитоиидикации будет меняться. Поскольку в этих условиях доминирует природный режим функционирования экосистем, то, к примеру, при контроле эмиссионных выбросов в атмосферу эффективны лихеноиндикация, дендроиндикация, сравнительный анализ биопродук- тивности естественных и нарушенных земель, контроль за изменением химического состава компонентов экосистем. Изучение эпифитного лишайникового покрова может быть рекомендовано для внедрения в практику мониторинговых работ, так как методика предусматривает возможность учета как всего видового разнообразия и обилия лишайников, так и суммарного проективного покрытия эпифитного покрова в целом. Последнее не требует глубоких знаний лихенологии и может использоваться широким кругом специалистов.

При деструктивных антропогенных изменениях ландшафтов, включающих де- форестизацию, мелиорацию земель, рекреационную и пастбищную дигрессию и т. д., наибольший эффект дает флористический подход (изменение видового состава фитоценозов, появление или исчезновение индикаторных видов) в сочетании с анализом изменения биопродуктивиости. Состояние фитоцеиозов можно оценивать традиционными способами учета биомассы методами укосов и транссект, по высоте травостоя или индикаторных видов растений и по ежегодному линейному и радиальному приросту деревьев. Изменение химического состава растений в этом случае менее специфично и не является обязательным.

В экосистемах в районах техногенных аномалий трансформация ПТК настолько велика, что в этих условиях невозможно использование фитоценотических и лихе- ноиндикациониых приемов. Для оценки пространственной дифференциации местности по степени загрязнения необходим выбор одного-двух (взаимозамеияюгцих) индикаторных видов, повсеместно распространенных па территории исследований. Антропогенное воздействие, сопровождающееся загрязнением компонентов экосистем, приводит наряду с изменением химического состава растений к угнетению жизненных функций и всевозможным нарушениям в ходе физиологических процессов, и прежде всего в фотосинтетической деятельности. Чувствительным показателем является соотношение содержаний хлорофиллов а и 6, однако такие исследования требуют достаточно хорошо оснащенной лаборатории и определенной подготовки специалистов. При проведении крупномасштабных мониторинговых работ удобнее использовать боиитировочиые шкалы хлорозов и некрозов листьев, а также возраста хвои отдельно стоящих деревьев или кустарников. Изучение изменчивости спектральных отражательных свойств фотосинтезирующих органов перспективно для экспресс-оценки антропогенных воздействий.

Особое значение имеет выбор биоиидикациоииых методов оценки урбанизированных территорий - урбоэкосистем. Наибольшая напряженность экологической обстановки наблюдается в крупных индустриальных городских агломерациях. Растения, как главные аккумуляторы токсических соединений, в городской среде играют важную роль в ее оздоровлении, испытывая при этом воздействие загрязняющих веществ, угнетающих их жизнедеятельность. Накопление поллютантов в растениях отражает уровень атмосферного и почвенного загрязнения урбоэкосистем. Использование фитоиидикаторов позволяет установить временную динамику загрязнения, дифференцировать основные его источники и определить их вклад в суммарное загрязнение. При изучении крупных городов одной из серьезных проблем является выбор эталонов сравнения. Частично эта проблема решается благодаря использованию тест-объектов. Тестирование среды успешно применяется как для оценки загрязнения городской среды, так и для экологического картографирования отдельных промышленных районов города. Наиболее эффективно в этом отношении брио- и лихеноиндикационное тестирование среды. Изучение состояния самого растения - угнетения жизненных функций, хлороза и некроза, морфологической изменчивости - лежит в основе экспресс-методов оценки загрязнения городской среды. Характер адаптации растений к техногенным нагрузкам во многом аналогичен адаптационной стратегии растений природных геохимических аномалий. Поэтому перспективны изучение и сравнительный анализ природных и техногенных популяций растений, устойчивых к высоким концентрациям металлов.

Таким образом, подводя итог вышесказанному, нужно подчеркнуть, что к числу преимуществ биоиидикации перед инструментальными методами следует отнести ее относительно низкую стоимость, высокую скорость получения информации и возможность характеризовать состояние среды за длительный промежуток времени. Применение биоиидикациоииых методов в сочетании с компьютерными технологиями и экспертной оценкой дает возможность сделать прогноз изменения экосистем при нарастании антропогенной нагрузки, сформулировать рекомендации по оптимальному режиму природопользования, оценить степень экологического риска антропогенного загрязнения.

Для решения ряда прикладных задач природопользования необходимы экспресс- методы экологической оценки состояния среды. К ним относятся прежде всего морфологический, флористический и фитоценотический методы. Преимущество их обусловлено относительной простотой натурных исследований и сбора информации, а также возможностью определения суммарного воздействия всего комплекса факторов в конкретных условиях.

Биоиидикация позволяет оценить комплексное антропогенное воздействие как на природные объекты, так и на территории урбо- и агроландшафтов. При этом можно использовать два подхода в оценке реакций организмов на воздействие окружающей среды. Первый предусматривает изучение реакций видов и их сообществ, распространенных на исследуемой территории, второй - изучение реакций растительных тест-объектов, искусственно размещенных на дайной территории.