БИОИНДИКАЦИЯ И БИОТЕСТИРОВАНИЕ КАК ИНСТРУМЕНТ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВОДОЁМОВ - ПРИЁМНИКОВ (на примере Юго-Западных очистных сооружений ГУП "ВОДОКАНАЛ " города Санкт-Петербурга)
|
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….3
Глава 1 ВИДЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА…………………...……6
1.1 Биоиндикация по видовому составу микроорганизмов……………………..10
1.2 Биоиндикация на основе различий нормы реакции на повышенную функциональную нагрузку, вызванных хронической токсичностью среды для бентосных беспозвоночных
1.3 Биотестирование с использованием различных видов фито - и зоопланктона
1.4 Приборные методы контроля загрязнений природных и сточных вод……..14
1.5 Биоэлектронные методы контроля загрязненности природных и сточных вод
1.6 Обзор биологических систем раннего предупреждения (БСРП)…………...17
1.7 Описание алгоритма выбора биоиндикаторов…………………………….....20
1.8 Применение БСРП на предприятии «ГУП ВОДОКАНАЛ» города Санкт – Петербурга
Глава 2 МЕТОДЫ БИОИНДИКАЦИИ И БИОТЕСТИРОВАНИЯ КАК ИНСТРУМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВОДОЁМОВ ПРИЁМНИКОВ
2.1 Методика оценки функционального состояния по характеристикам кардиоактивности раков вида Astacus leptodactylu……...………………..……31
2.2 Методика определения токсичности сточных вод с использованием дафний Daphnia magna Strauss
Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Оценка качества очистки сточных вод методом биоиндикации…………..44
3.2 Определение токсичности очищенных сточных вод методом биотестирования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Глава 1 ВИДЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА…………………...……6
1.1 Биоиндикация по видовому составу микроорганизмов……………………..10
1.2 Биоиндикация на основе различий нормы реакции на повышенную функциональную нагрузку, вызванных хронической токсичностью среды для бентосных беспозвоночных
1.3 Биотестирование с использованием различных видов фито - и зоопланктона
1.4 Приборные методы контроля загрязнений природных и сточных вод……..14
1.5 Биоэлектронные методы контроля загрязненности природных и сточных вод
1.6 Обзор биологических систем раннего предупреждения (БСРП)…………...17
1.7 Описание алгоритма выбора биоиндикаторов…………………………….....20
1.8 Применение БСРП на предприятии «ГУП ВОДОКАНАЛ» города Санкт – Петербурга
Глава 2 МЕТОДЫ БИОИНДИКАЦИИ И БИОТЕСТИРОВАНИЯ КАК ИНСТРУМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВОДОЁМОВ ПРИЁМНИКОВ
2.1 Методика оценки функционального состояния по характеристикам кардиоактивности раков вида Astacus leptodactylu……...………………..……31
2.2 Методика определения токсичности сточных вод с использованием дафний Daphnia magna Strauss
Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Оценка качества очистки сточных вод методом биоиндикации…………..44
3.2 Определение токсичности очищенных сточных вод методом биотестирования
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Антропогенная нагрузка на природную среду, в связи с развитием промышленности и технологий неуклонно растет, что подразумевает необходимые требования к оценке воздействия этой нагрузки и скорости выявления негативных последствий, которые могут представлять угрозу не только для биоты, но и для человека. С конца 20 столетия большое внимание стало уделяться экологичности производств, профилактике аварийных ситуаций, а также в целом возросла актуальность мониторинга поверхностных вод, и в особенности тех водоёмов, которые служат приёмниками сточных вод.
Загрязняющие вещества могут попадать в природную среду со стоками промышленных предприятий, причем непрерывно контролировать количественный и качественный состав этих сточных вод становится практически невозможно. Но даже при их определении сложность состоит в том что для многих соединений еще не установлены механизмы их действия на различных гидробионтов и, соответственно, не получены величины предельно допустимых концентраций (ПДК) для хозяйственно-бытового, питьевого и рыбохозяйственного назначения. Тем более, практически отсутствуют методы оценки количественных изменений в составе биоценоза природных водоемов при временном превышении уровня ПДК у поступающих в них загрязненных вод. Это связано с многообразием видового состава гидробионтов различных водоемов, различиями базового гидрохимического состава воды, значительными сезонными зависимостями скорости процессов самоочищения воды от температуры и интенсивности солнечной инсоляции и синергизмом (или антагонизмом) действия различных ксенобиотиков. А в отсутствие таких методов невозможно выработать экономически целесообразную стратегию управления (менеджмента) качеством и сбрасываемых загрязненных вод (степенью очистки) и воды в водоеме - приемнике биологически очищенных сточных вод.
Во второй половине 20 века стало ясно, что физико-химические методы контроля качества поверхностных вод по многим причинам принципиально не могут обеспечивать достоверную информацию об уровне воздействия на жизнедеятельность животных в дикой природе антропогенных загрязнений. Известно, что в мире существует довольно много способов индикации токсичных веществ в водной среде. Многие из них основаны на результатах анализа физико-химических характеристик водной среды. Однако, без их совместного использования с методами биоиндикации, результаты были бы недостаточными, временами неверными для принятия объективных выводов, из-за неучтенной интегральности оценки загрязнения вод.
Для осуществления непрерывного контроля очевидным преимуществом обладает метод биоиндикации, основанный на контроле изменения функционального состояния бентосных гидробионтов, так как он позволяет выявить все факты сбросов предприятия, которые будут превышать уровень умеренной токсичности сточных вод на предприятии и штатном функционировании очистных сооружений. Традиционно используемые методы биотестирования с применением Daphnia magna тоже достаточно актуальны, однако, у них существует недостаток - тест по выживаемости организмов не может показать момент «залпового» сброса, а определяет только острую либо хроническую токсичность сточных вод. Более того данный биотест занимает от нескольких часов до для проверки на острую токсичность и нескольких недель для определения хронической токсичности.
В ситуации, когда нужно оперативно получить данные о сбросе и уровне изменения токсичности на помощь может прийти применение биологических систем раннего предупреждения (БСРП). В противоположность длительным экотоксикологическим тестам БСРП используют время между отбором проб и (токсикологическим) анализом: благодаря системе, в течении часа, а иногда и получаса, появляется качественный ответ о возникновении загрязнения. Таким образом достигается цель обеспечения быстрого предупреждения о высоких концентрациях загрязняющих веществ, которые будут опасны для живых организмов.
Актуальность работы состоит в комплексном подходе к оценке качества очистки городских сточных вод на Юго-Западных очистных сооружениях (ЮЗОС) ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» – исследования воды проводились в лаборатории на СПБМКВ (станции производственного биологического мониторинга качества воды) с использованием оценки функционального состояния у группы раков на основе значений частоты сердечных сокращений (ЧСС), измеряемых в ходе их тестировании, а также, параллельно этому был проведен классический дафниевый тест.
Целью настоящего исследования было изучить и оценить эффективность ряда методов биоиндикации и биотестирования, как необходимых инструментов получения важной информации контроля качества биологически очищенных сточных вод, сбрасываемых в Финский залив, для обеспечения экологически эффективного управления качеством водоёмов-приемников - на примере Юго-Западных очистных сооружений города Санкт-Петербурга.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Освоить метод оценки накопленного негативного воздействия загрязненных природных или сточных вод на различных гидробионтов на основе использования неинвазивного биоэлектронного метода измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) раков вида Astacus leptodactylus при их тестировании в условиях повышенной функциональной нагрузки (активная биоиндикация).
2. Изучить алгоритм выбора биоиндикаторов по физиологическим показателям.
3. Экспериментально оценить влияние биологически очищенных сточных вод на характеристики кардиоактивности и функциональное состояние раков вида Astacus leptodactylus.
4. Проанализировать острую и хроническую токсичность биологически очищенных сточных вод с помощью методики по выживаемости и изменений в плодовитости дафний Daphnia magna Straus.
5. Сопоставить полученные двумя методами (биоиндикации и биотестирования) результаты.
Объект исследования:
- биологически очищенные городские сточные воды Юго-Западных очистных сооружений ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»
Предмет исследования:
- качество биологически очищенных сточных вод с точки зрения пригодности ее для обитания гидробионтов.
Методы исследования:
- метод оптико-волоконного неинвазивного измерения кардиоактивности
-метод математической статистики
-метод биотехнических систем
Загрязняющие вещества могут попадать в природную среду со стоками промышленных предприятий, причем непрерывно контролировать количественный и качественный состав этих сточных вод становится практически невозможно. Но даже при их определении сложность состоит в том что для многих соединений еще не установлены механизмы их действия на различных гидробионтов и, соответственно, не получены величины предельно допустимых концентраций (ПДК) для хозяйственно-бытового, питьевого и рыбохозяйственного назначения. Тем более, практически отсутствуют методы оценки количественных изменений в составе биоценоза природных водоемов при временном превышении уровня ПДК у поступающих в них загрязненных вод. Это связано с многообразием видового состава гидробионтов различных водоемов, различиями базового гидрохимического состава воды, значительными сезонными зависимостями скорости процессов самоочищения воды от температуры и интенсивности солнечной инсоляции и синергизмом (или антагонизмом) действия различных ксенобиотиков. А в отсутствие таких методов невозможно выработать экономически целесообразную стратегию управления (менеджмента) качеством и сбрасываемых загрязненных вод (степенью очистки) и воды в водоеме - приемнике биологически очищенных сточных вод.
Во второй половине 20 века стало ясно, что физико-химические методы контроля качества поверхностных вод по многим причинам принципиально не могут обеспечивать достоверную информацию об уровне воздействия на жизнедеятельность животных в дикой природе антропогенных загрязнений. Известно, что в мире существует довольно много способов индикации токсичных веществ в водной среде. Многие из них основаны на результатах анализа физико-химических характеристик водной среды. Однако, без их совместного использования с методами биоиндикации, результаты были бы недостаточными, временами неверными для принятия объективных выводов, из-за неучтенной интегральности оценки загрязнения вод.
Для осуществления непрерывного контроля очевидным преимуществом обладает метод биоиндикации, основанный на контроле изменения функционального состояния бентосных гидробионтов, так как он позволяет выявить все факты сбросов предприятия, которые будут превышать уровень умеренной токсичности сточных вод на предприятии и штатном функционировании очистных сооружений. Традиционно используемые методы биотестирования с применением Daphnia magna тоже достаточно актуальны, однако, у них существует недостаток - тест по выживаемости организмов не может показать момент «залпового» сброса, а определяет только острую либо хроническую токсичность сточных вод. Более того данный биотест занимает от нескольких часов до для проверки на острую токсичность и нескольких недель для определения хронической токсичности.
В ситуации, когда нужно оперативно получить данные о сбросе и уровне изменения токсичности на помощь может прийти применение биологических систем раннего предупреждения (БСРП). В противоположность длительным экотоксикологическим тестам БСРП используют время между отбором проб и (токсикологическим) анализом: благодаря системе, в течении часа, а иногда и получаса, появляется качественный ответ о возникновении загрязнения. Таким образом достигается цель обеспечения быстрого предупреждения о высоких концентрациях загрязняющих веществ, которые будут опасны для живых организмов.
Актуальность работы состоит в комплексном подходе к оценке качества очистки городских сточных вод на Юго-Западных очистных сооружениях (ЮЗОС) ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» – исследования воды проводились в лаборатории на СПБМКВ (станции производственного биологического мониторинга качества воды) с использованием оценки функционального состояния у группы раков на основе значений частоты сердечных сокращений (ЧСС), измеряемых в ходе их тестировании, а также, параллельно этому был проведен классический дафниевый тест.
Целью настоящего исследования было изучить и оценить эффективность ряда методов биоиндикации и биотестирования, как необходимых инструментов получения важной информации контроля качества биологически очищенных сточных вод, сбрасываемых в Финский залив, для обеспечения экологически эффективного управления качеством водоёмов-приемников - на примере Юго-Западных очистных сооружений города Санкт-Петербурга.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Освоить метод оценки накопленного негативного воздействия загрязненных природных или сточных вод на различных гидробионтов на основе использования неинвазивного биоэлектронного метода измерения частоты сердечных сокращений (ЧСС) раков вида Astacus leptodactylus при их тестировании в условиях повышенной функциональной нагрузки (активная биоиндикация).
2. Изучить алгоритм выбора биоиндикаторов по физиологическим показателям.
3. Экспериментально оценить влияние биологически очищенных сточных вод на характеристики кардиоактивности и функциональное состояние раков вида Astacus leptodactylus.
4. Проанализировать острую и хроническую токсичность биологически очищенных сточных вод с помощью методики по выживаемости и изменений в плодовитости дафний Daphnia magna Straus.
5. Сопоставить полученные двумя методами (биоиндикации и биотестирования) результаты.
Объект исследования:
- биологически очищенные городские сточные воды Юго-Западных очистных сооружений ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»
Предмет исследования:
- качество биологически очищенных сточных вод с точки зрения пригодности ее для обитания гидробионтов.
Методы исследования:
- метод оптико-волоконного неинвазивного измерения кардиоактивности
-метод математической статистики
-метод биотехнических систем
К настоящему времени биологические системы раннего оповещения (БСРП) превратились в неоценимое средство мониторинга водной среды. Они работают непрерывно и выявляют случаи острой токсичности водной среды. БСРП реагируют на возникновения неблагоприятных условий в воде физиологическими и поведенческими ответами: они говорят нам о том, что существует проблема с качеством воды. Несмотря на то, что биологические сенсоры могут обнаруживать случаи острой токсичности, связанной с широким кругом загрязняющих веществ, по сравнению с рутинными химическими измерениями, они не могут дать информации о природе загрязнителей. При возникновении тревоги они могут инициировать отбор проб, чтобы с помощью химического анализа идентифицировать соединение, которое вызвало биологический ответ. Как было указано выше, именно в этом и состоят преимущества БСРП: они являются дополняющим оборудованием.
Таким образом: БСРП являются детекторами широкого спектра, работающие автоматически 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, но нуждаются в химическом анализе для качественного и количественного определения отдельных загрязнителей.
Использование оригинальных биоэлектронных систем и методов на их основе, как элементов комплексного мониторинга экологической безопасности водоёмов-приемников, представляется весьма перспективным. Биоиндикация БОСВ путем тестирования местных видов беспозвоночных по методу функциональной нагрузки на основе использования биоэлектронных систем позволит интегрально оценивать здоровье ключевых для экосистем видов гидробионтов, отражающее, в том числе, здоровье экосистемы, в которой они обитают.
Биоэлектронная система СПБМКСВ, в частности, может применятся в качестве информационной основы для автоматической системы непрерывной демонстрации (например, с помощью специального табло и/или по Интернету) заинтересованным государственным службам и населению максимально объективной информации об экологической безопасности сбрасываемых в Невскую губу БОСВ, так как она полностью отвечает критерию ведомственной «независимости» мониторинга качества БОСВ.
Освещенный в работе инновационный метод может стать основой для внедрения в отечественную практику системы интегрального биологического мониторинга БОСВ, как среды обитания водных организмов, водоемов- или водотоков-приемников городских сточных вод. Однако для этого необходимо будет в ближайшие годы разрешить проблемы, сдерживающие развитие метрологического обеспечения биоэлектронных методов. Их разрешение, в частности, позволит значительно продвинуться в создании экологически обоснованной нормативной базы оценки состояния качества поверхностных вод, как среды обитания гидробионтов.
Таким образом: БСРП являются детекторами широкого спектра, работающие автоматически 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, но нуждаются в химическом анализе для качественного и количественного определения отдельных загрязнителей.
Использование оригинальных биоэлектронных систем и методов на их основе, как элементов комплексного мониторинга экологической безопасности водоёмов-приемников, представляется весьма перспективным. Биоиндикация БОСВ путем тестирования местных видов беспозвоночных по методу функциональной нагрузки на основе использования биоэлектронных систем позволит интегрально оценивать здоровье ключевых для экосистем видов гидробионтов, отражающее, в том числе, здоровье экосистемы, в которой они обитают.
Биоэлектронная система СПБМКСВ, в частности, может применятся в качестве информационной основы для автоматической системы непрерывной демонстрации (например, с помощью специального табло и/или по Интернету) заинтересованным государственным службам и населению максимально объективной информации об экологической безопасности сбрасываемых в Невскую губу БОСВ, так как она полностью отвечает критерию ведомственной «независимости» мониторинга качества БОСВ.
Освещенный в работе инновационный метод может стать основой для внедрения в отечественную практику системы интегрального биологического мониторинга БОСВ, как среды обитания водных организмов, водоемов- или водотоков-приемников городских сточных вод. Однако для этого необходимо будет в ближайшие годы разрешить проблемы, сдерживающие развитие метрологического обеспечения биоэлектронных методов. Их разрешение, в частности, позволит значительно продвинуться в создании экологически обоснованной нормативной базы оценки состояния качества поверхностных вод, как среды обитания гидробионтов.