БИОМОНИТОРИНГ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ВОДОЁМОВ ПО ПОВЕДЕНЧЕСКИМ РЕАКЦИЯМ НИЗШИХ РАКООБРАЗНЫХ
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Обзор литературы 8
1.1 Источники загрязнения водной экосистемы нефтью и нефтепродуктами 8
1.2 Характеристика нефти 11
1.2.1 Физико-химический состав нефти Верхнечонского и Куюмбинского нефтяных
месторождений 11
1.2.2 Воздействие нефтепродуктов на водные экосистемы 14
1.2.3 Долговременные последствия нефтяных разливов 15
1.3 Морфо-физиологические особенности низших ракообразных на примере Daphnia Pulex 16
1.3.1 Морфология Daphnia pulex 17
1.3.2 Рост, развитие и размножение низших ракообразных 17
1.4 Понятия и основные принципы биомониторинга 18
1.5 Погружная цифровая голографическая камера 20
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 22
2.1.1 Подготовка культивационной среды 22
2. 1.2 Условия содержания дафний 22
2.1.3 Подготовка проб бихромата калия 23
2.1.4 Подготовка проб сырой нефти 25
2.2 Процедура биотестирования 25
2.2.1 Проведение предварительных экспериментов при контаминации водной среды
бихроматом калия 26
2.2.2 Проведение предварительных экспериментов при контаминации водной среды
сырой нефтью 31
2.2.3 Проведение исследований поведенческих реакций низших ракообразных с
помощью погружной цифровой голографической камеры 41
3 Результаты исследования 44
3.1 Анализ изменений поведенческих реакций ракообразных при контаминации водной
среды бихроматом калия 45
3.2 Анализ изменений поведенческих реакций ракообразных при контаминации водной
среды сырой нефтью 56
Заключение 64
Список использованных источников и литературы 66
Приложение А Фотография следов нефти в результате аварии 75
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Обзор литературы 8
1.1 Источники загрязнения водной экосистемы нефтью и нефтепродуктами 8
1.2 Характеристика нефти 11
1.2.1 Физико-химический состав нефти Верхнечонского и Куюмбинского нефтяных
месторождений 11
1.2.2 Воздействие нефтепродуктов на водные экосистемы 14
1.2.3 Долговременные последствия нефтяных разливов 15
1.3 Морфо-физиологические особенности низших ракообразных на примере Daphnia Pulex 16
1.3.1 Морфология Daphnia pulex 17
1.3.2 Рост, развитие и размножение низших ракообразных 17
1.4 Понятия и основные принципы биомониторинга 18
1.5 Погружная цифровая голографическая камера 20
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 22
2.1.1 Подготовка культивационной среды 22
2. 1.2 Условия содержания дафний 22
2.1.3 Подготовка проб бихромата калия 23
2.1.4 Подготовка проб сырой нефти 25
2.2 Процедура биотестирования 25
2.2.1 Проведение предварительных экспериментов при контаминации водной среды
бихроматом калия 26
2.2.2 Проведение предварительных экспериментов при контаминации водной среды
сырой нефтью 31
2.2.3 Проведение исследований поведенческих реакций низших ракообразных с
помощью погружной цифровой голографической камеры 41
3 Результаты исследования 44
3.1 Анализ изменений поведенческих реакций ракообразных при контаминации водной
среды бихроматом калия 45
3.2 Анализ изменений поведенческих реакций ракообразных при контаминации водной
среды сырой нефтью 56
Заключение 64
Список использованных источников и литературы 66
Приложение А Фотография следов нефти в результате аварии 75
К числу наиболее распространенных и опасных загрязнителей природной среды относятся нефть и получаемые из нее продукты (Impacts of oil spills on marine ecology, 2015; The ecological effects of oil spills, 2012). Их особенностью является глобальное распространение (Environmental Impact Assessment (EIA), 2009), отличающееся от других загрязнителей по количеству источников загрязнения, уровням химических нагрузок на все компоненты ландшафтов при авариях скважин, нефтепроводов и других технических объектов, связанных с добычей, транспортировкой и хранением нефти (Industry & Environment Unit,2006).
В настоящее время всё больше исследователей приходят к выводу, что методы биомониторинга являются наиболее надежными для экологического контроля состояния окружающей среды (Бурдин, 1985; Бекмухамедов 2016; Williamson 2014, Бакаева, 2008).
Метод биотестирования, основанный на выживаемости ветвистоусых рачков рода Daphnia является одним из наиболее применяемых в водной токсикологии (Брагинский, 2003; Акулева, 1986; Лозова, 2006; OECD № 203,1992; OECD №236, 2013, Жмур, 2007). Это обусловлено тем, что дафнии широко распространены в природе, являются фильтраторами и обладают высокой чувствительностью к токсикантам различной природы.
Но обнаружение нефтяных загрязнений с помощью мониторинга гибели низших может существенно запаздывать (Мушкет,2018; Фомичёва,2016; Environmental Impact Assessment, 2009).
Наиболее перспективными для мониторинга водной среды являются методы биомониторинга с использованием поведенческих реакций аборигенных видов гидробионтов, и в первую очередь - низших ракообразных.
Известно, что поведенческие реакции являются наиболее чувствительными в ряду ответов «поведение - физиологические изменения гибель» (Олькова, 2015; Бакаева, 2015, Гайских, 2014). Изменение поведенческих реакций может происходить при концентрациях токсиканта в десятки раз меньших его LD50. Однако до недавнего времени отсутствовали возможности длительной регистрации поведенческих реакций НР непосредственно в среде обитания. Настоящее исследование посвящено изучению чувствительности НР к загрязнению ВС сырой нефтью и регистрации ПР с помощью цифровой автоматизированной голографической камеры (АПК), разработанной в СФТИ ТГУ. Новизна работы заключается в применении АПК для регистрации ПР НР при внесении нефти в культивационную среду.
Объект исследования: Нефтяное загрязнение
Предмет исследования: Поведенческие реакции низших ракообразных.
Цель исследовательской работы: Разработка метода биоиндикации загрязнения поверхностных водоёмов по поведенческим реакциям низших ракообразных.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
1. На основе анализа литературы определить показатели, характеризующие поведенческую реакцию в ответ на загрязнение среды обитания нефтепродуктами.
2. Оценить чувствительность метода обнаружения поллютантов (бихромата калия, нефтяного загрязнения) по поведенческим реакциям (ЕС50 изменений поведенческой реакции) в сравнении с методом по смертности (ЬС50).
3. Определить количественные характеристики реакции Daphnia pulex на актиничный свет.
4. Определить количественные характеристики реакции Daphnia pulex на актиничный свет в присутствии модельного токсиканта и при нефтяном загрязнении.
5. Сопоставить чувствительность методов обнаружения загрязнителей методом отбора проб и с помощью погружной голографической камеры.
6. Предложить рекомендации по регистрации параметров, необходимых для раннего обнаружения нефтяных загрязнений.
Защищаемые положения:
1. Характер и степень отклонения в поведенческих реакциях дафний
зависят от концентрации сырой нефти и времени экспозиции.
2. Метод обнаружения появления поллютанта по изменению
поведенческих реакций является более чувствительным, чем по показателю смертности.
3. Для биоиндикации с помощью цифровой автоматизированной
голографической камеры появления и степени загрязнения водоёма нефтью достаточно регистрации двух показателей: прироста концентрации дафний в контролируемом объёме при освещении актиничным светом и количества движения (двигательной активности) рачков в этой зоне.
В настоящее время всё больше исследователей приходят к выводу, что методы биомониторинга являются наиболее надежными для экологического контроля состояния окружающей среды (Бурдин, 1985; Бекмухамедов 2016; Williamson 2014, Бакаева, 2008).
Метод биотестирования, основанный на выживаемости ветвистоусых рачков рода Daphnia является одним из наиболее применяемых в водной токсикологии (Брагинский, 2003; Акулева, 1986; Лозова, 2006; OECD № 203,1992; OECD №236, 2013, Жмур, 2007). Это обусловлено тем, что дафнии широко распространены в природе, являются фильтраторами и обладают высокой чувствительностью к токсикантам различной природы.
Но обнаружение нефтяных загрязнений с помощью мониторинга гибели низших может существенно запаздывать (Мушкет,2018; Фомичёва,2016; Environmental Impact Assessment, 2009).
Наиболее перспективными для мониторинга водной среды являются методы биомониторинга с использованием поведенческих реакций аборигенных видов гидробионтов, и в первую очередь - низших ракообразных.
Известно, что поведенческие реакции являются наиболее чувствительными в ряду ответов «поведение - физиологические изменения гибель» (Олькова, 2015; Бакаева, 2015, Гайских, 2014). Изменение поведенческих реакций может происходить при концентрациях токсиканта в десятки раз меньших его LD50. Однако до недавнего времени отсутствовали возможности длительной регистрации поведенческих реакций НР непосредственно в среде обитания. Настоящее исследование посвящено изучению чувствительности НР к загрязнению ВС сырой нефтью и регистрации ПР с помощью цифровой автоматизированной голографической камеры (АПК), разработанной в СФТИ ТГУ. Новизна работы заключается в применении АПК для регистрации ПР НР при внесении нефти в культивационную среду.
Объект исследования: Нефтяное загрязнение
Предмет исследования: Поведенческие реакции низших ракообразных.
Цель исследовательской работы: Разработка метода биоиндикации загрязнения поверхностных водоёмов по поведенческим реакциям низших ракообразных.
Для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:
1. На основе анализа литературы определить показатели, характеризующие поведенческую реакцию в ответ на загрязнение среды обитания нефтепродуктами.
2. Оценить чувствительность метода обнаружения поллютантов (бихромата калия, нефтяного загрязнения) по поведенческим реакциям (ЕС50 изменений поведенческой реакции) в сравнении с методом по смертности (ЬС50).
3. Определить количественные характеристики реакции Daphnia pulex на актиничный свет.
4. Определить количественные характеристики реакции Daphnia pulex на актиничный свет в присутствии модельного токсиканта и при нефтяном загрязнении.
5. Сопоставить чувствительность методов обнаружения загрязнителей методом отбора проб и с помощью погружной голографической камеры.
6. Предложить рекомендации по регистрации параметров, необходимых для раннего обнаружения нефтяных загрязнений.
Защищаемые положения:
1. Характер и степень отклонения в поведенческих реакциях дафний
зависят от концентрации сырой нефти и времени экспозиции.
2. Метод обнаружения появления поллютанта по изменению
поведенческих реакций является более чувствительным, чем по показателю смертности.
3. Для биоиндикации с помощью цифровой автоматизированной
голографической камеры появления и степени загрязнения водоёма нефтью достаточно регистрации двух показателей: прироста концентрации дафний в контролируемом объёме при освещении актиничным светом и количества движения (двигательной активности) рачков в этой зоне.
Следует сделать заключение, что цифровая автоматизированная голографическая камера позволит выявить раннее поступление нефти в водную среду, используя метод биомониторинга регистрации поведенческих реакций дафний, чем показатель смертности.
1. Поведенческие реакции дафний, зарегистрированные погружной голографической камерой, сопоставимы по чувствительности с поведенческими реакциями на появление поллютантов, регистрируемыми в стаканах.
2. Токсический эффект после 24-часовой инкубации в среде, контаминированной нефтью, проявляется начиная с концентрации 540 мг/дм3; гибель 50 % животных наблюдается при концентрации поллютанта, равной 1080 мг/дм3 при инкубации не менее 48 часов. В то же время изменения поведенческих реакций, в первую очередь - перераспределение по глубине и изменение характера движений, наблюдается уже при концентрации 90 мг/дм3. Токсический эффект по реакциям, зарегистрированным с помощью голографической камеры, выявляется начиная с концентрации 90 мг/дм3, что также соответствует нижнему порогу чувствительности поведенческих реакций.
3. При загрязнении среды обитания дафний нефтью для определения ее появления и концентрации достаточно регистрации двух показателей: прироста концентрации дафний в контролируемом объёме за минуту актиничного освещения (т.е. скорости перемещения рачков в зону актиничного освещения) и количества движений ансамбля рачков в этой зоне.
4. Показатель «Скорость движения ансамбля» не является информативным параметром для выявления присутствия исследованных поллютантов.
5. Основными показателями реакций дафний на появление поллютантов являются: изменение распределения дафний по вертикальному профилю водного слоя, ингибирование или повышение подвижности,
замедления гребных движений, наличие нехарактерных для рачков движений (повороты через голову - кувыркание, скручивание).
6. При контаминации бихроматом калия токсический эффект
проявляется начиная с концентрации 0,45±0,05 мг/дм3 (LC20); гибель 50 % животных (LC50) наблюдается при концентрации поллютанта, равной 0,82±0,07 мг/дм3. Токсический эффект на поведенческие реакции проявляется начиная с концентрации 0,011±0,001 мг/дм3 (LC20); 50 % изменение реакций
(EC50) наблюдается при концентрации поллютанта, равной 0,15±0,02 мг/дм3.
7. Токсический эффект по реакциям, зарегистрированным с помощью голографической камеры, выявляется начиная с концентрации 0,01мг/ дм3, что соответствует нижнему порогу чувствительности поведенческих реакций.
8. При загрязнении среды обитания дафний модельным токсикантом - бихроматом калия, для определения его появления и концентрации достаточно регистрации двух показателей - количества движения ансамбля за время действия актиничного освещения и количества дафний, находящихся в контролируемом освещенном объеме. Кроме того наблюдается, хоть и слабая, обратная связь между концентрацией поллютанта и скоростью увеличения концентрации дафний в зоне актиничного света.
1. Поведенческие реакции дафний, зарегистрированные погружной голографической камерой, сопоставимы по чувствительности с поведенческими реакциями на появление поллютантов, регистрируемыми в стаканах.
2. Токсический эффект после 24-часовой инкубации в среде, контаминированной нефтью, проявляется начиная с концентрации 540 мг/дм3; гибель 50 % животных наблюдается при концентрации поллютанта, равной 1080 мг/дм3 при инкубации не менее 48 часов. В то же время изменения поведенческих реакций, в первую очередь - перераспределение по глубине и изменение характера движений, наблюдается уже при концентрации 90 мг/дм3. Токсический эффект по реакциям, зарегистрированным с помощью голографической камеры, выявляется начиная с концентрации 90 мг/дм3, что также соответствует нижнему порогу чувствительности поведенческих реакций.
3. При загрязнении среды обитания дафний нефтью для определения ее появления и концентрации достаточно регистрации двух показателей: прироста концентрации дафний в контролируемом объёме за минуту актиничного освещения (т.е. скорости перемещения рачков в зону актиничного освещения) и количества движений ансамбля рачков в этой зоне.
4. Показатель «Скорость движения ансамбля» не является информативным параметром для выявления присутствия исследованных поллютантов.
5. Основными показателями реакций дафний на появление поллютантов являются: изменение распределения дафний по вертикальному профилю водного слоя, ингибирование или повышение подвижности,
замедления гребных движений, наличие нехарактерных для рачков движений (повороты через голову - кувыркание, скручивание).
6. При контаминации бихроматом калия токсический эффект
проявляется начиная с концентрации 0,45±0,05 мг/дм3 (LC20); гибель 50 % животных (LC50) наблюдается при концентрации поллютанта, равной 0,82±0,07 мг/дм3. Токсический эффект на поведенческие реакции проявляется начиная с концентрации 0,011±0,001 мг/дм3 (LC20); 50 % изменение реакций
(EC50) наблюдается при концентрации поллютанта, равной 0,15±0,02 мг/дм3.
7. Токсический эффект по реакциям, зарегистрированным с помощью голографической камеры, выявляется начиная с концентрации 0,01мг/ дм3, что соответствует нижнему порогу чувствительности поведенческих реакций.
8. При загрязнении среды обитания дафний модельным токсикантом - бихроматом калия, для определения его появления и концентрации достаточно регистрации двух показателей - количества движения ансамбля за время действия актиничного освещения и количества дафний, находящихся в контролируемом освещенном объеме. Кроме того наблюдается, хоть и слабая, обратная связь между концентрацией поллютанта и скоростью увеличения концентрации дафний в зоне актиничного света.
