Введение
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6
1.1 Оценка качества донных отложений 6
1.2 Тяжелые металлы и их опасность для окружающей среды 9
1.3 Становление и развитие подходов биотестирования в оценке качества окружающей среды 13
1.4 Методическое обеспечение токсикологического контроля водных объектов методом
биотегтирования 14
1.5 Использование метода биотестирования для оценки качества донных отложений 16
1.6 Характеристика тест-организмов, применяемых в биотестировании донных отложений
23
1.6.1 Тест-объект Daphnia magna 23
1.6.2 Тест-культуьа Clorella vulgaris 25
1.6.3 Тест-система люминесцентные микроорганизмы «Эколюм» 26
1.6.4 Тест-объект инфузория туфелька Paramecium caudatum 27
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ И ЗС ТЕДОВАНИЯ 30
2.1 Модельные донные отложения 30
2.2 Химический анализ модельных донных отложений и элюата 32
2.3 Биологические методы 33
2.3.1 Определение токсичности методом биотестирования с использованием
равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg 33
2.3.2 Определение токсичности по относительному показателю замедленной
флуоресценции культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer) 34
2.3.3 Определение токсичности по изменению оптической плотности культуры
водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer) 35
2.3.3 Определение токсичности по изменению интенсивности бактериальной
биолюминесценции тест-системой «Эколюм» 36
2.3.4 Определение токсичности при помощи Daphnia magna Straus методом прямого
счета 37
2.3.5 Определение токсичности по двигательной активности Daphnia magna с помощью
компьютерного зрения 38
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
3.1 Модельные донные отложения 41
3.2 Биотестирование водных вытяжек из донных отложений при помощи метода, ♦
основанного на компьютерном анализе поведенческой активности дафний 41
3.3. Сравнение полученных результатов биотестирования между собой 41 Q
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 43
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
Стремительное развитие всех отраслей промышленности, энергетики, транспорта, увеличение численности населения, урбанизация и химизация всех сред деятельности человека приводят к нарушению и загрязнению биосферы, ее отдельных компонентов (Пашкевич, 2002).
Донные отложения (ДО) как компонент водных экосистем являются источником вторичного загрязнения воды, кроме того, накопление токсикантов в донных отложениях отрицательно сказывается на продуктивности донных биоценозов. Самыми опасными загрязнителями водной среды
являются тяжелые металлы (ТМ), которые не подвергаются процессам разложения и аккумулируются в донных отложениях, представляющих собой сложную многокомпонентную систему (Cobbina, 2015) . В связи с этим в настоящее время первостепенным и очень важным является оценка химического состава природных вед, донных отложений (ДО) и их постоянный мониторинг. Имеется два подхода в оценке загрязнения донных
отложений водных объектов токсичными химическими веществами: химический (по концентрации загрязняющих веществ и сравнение их с ПДК) и биологический (биоиндикация и бнэтестирование). Традиционно изменения в донных отложениях водоемов оценивают методом биоиндикации, изучая изменение видового состава, численности, биомассу, накопление загрязняющих веществ индикаторными видами. Эти важные показатели любого биоценоза являются итоговой характеристикой всей суммы воздействий на сообщество за некоторый промежуток времени и не дают ее оценки на момент исследования. Биотестирование же позволяет определить реальную токсичность, обусловленную совокупностью всех присутствующих в пробе токсических химических веществ и метаболитов, е’ х* учетом их антагонистического и синергетического влияния именно на ( момент воздействия. Токсичность - характеристика биологическая, она не
Применение биотестирования имеет ряд преимуществ перед физико-химическим анализом, средствами которого часто не удается обнаружить неустойчивые соединения или количественно определить ультрамалые концентрации экотоксикантов. Биотестирование дает возможность быстрого получения интегральной оценки токсичности.
В работе рассматриваются основные методологии биологического контроля, выбор тест-организмов, тест-реакций и аппаратуры для их измерения, законодательные документы, определяющие проведение отдельных видов биологического контроля, принципы постановки опытов и обработки данных.
Цель данной рабозы - оценить качество загрязненных донных отложений при помощи батареи стандартных биотестов и биотестирования с использованием метода, основанном на компьютерном зрении.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
1. Смоделировать донные отложения, имеющие высокий уровень загрязнения тяжелыми металлами (Cd, Cr).
2. Осуществить биотестирование водных вытяжек из полученных донных отложений при помощи стандартных биотестов с использованием различных групп организмов (бактерии, водоросли, простейшие, ракообразные).
3. Выполнить биотестирование водных вытяжек из полученных донных отложений при помощи метода, основанного на компьютерном анализе поведенческой активности дафний.
4. Сравнить полученные результаты биотестирования между собой. х
Проведенный химический анализ проб чистых донных отложений и водных вытяжек из них подтвердил низкий уровень их загрязнения тяжелыми металлами. Фоновое содержание кадмия и хрома в чистых донных отложениях составило <0,05 и 23±4,6 мг/кг соответственно, что в целом согласуется с ранее выполненными исследованиями (0,11 и 21,87 мг/кг).
к*"'* Концентрация кадмия и хрома в водных вытяжках из чистых донных отложений составила 0,3±0,03 и 90±4,5 мкг/л соответственно. В то же время концентрация данных металлов в вытяжках из модельных донных отложений составляла 577±28,85 мкг/л, или 577 ПДКвх («ДО-кадмий») и 2300±115 мкг/л («ДО-хром», 115±5,7 мкг/л после разбавления, или 2,3 ПДК), можно считать, что данные значения концентраций и являлись действующими дозами.
По графикам поминутной динамики плавания дафний хорошо виден эффект от хрома, и отсутствие от кадмия. Наличие или отсутствие статистических различий между контрольными и загрязненными ДО, судя по всему при такой агрегации данных, не указывают на наличие или отсутствие реального токсического эффекта.
Наблюдаются статистически значимые различия в медианной скорости плавания дафний при помещении тест-объекта в вытяжку из донных отложений с кадмием, которая увеличивается с 0,55 до 0,65 см/с.
Таким образом, проведенные исследования ^показали возможность использования метода биотестирования, основанного на компьютерном зрении для оценки качества загрязненных отложений. Указанный метод имеет преимущества по сравнению с рассмотренными стандартными биэтезтами по экспрессное™ (тест по смертности дафний, оптическая плотность Chlorella vulgaris, смертность Paramecium caudatum) и превосходит все рассмотренные тесты по стоимостным характеристикам в области используемой приборной базы.
