Экологическое состояние водоемов

В важности биоиндикационных методов исследования, следует отметить, что такой подход требует объективного разделения и точного описания двух одновременно действующих процессов, вызывающих отклонение индикационного признака от нормы. Во-первых, результат действия антропогенных факторов, во-вторых, следствие случайного отклонения от нормы в результате действия принципиально неформализируемых факторов [7]. Кроме того, такой важный показатель любого биоценоза, как видовой состав, не дает ее оценки на момент исследования, поскольку является итоговой характеристикой всей суммы воздействия на сообщество за некоторый промежуток времени. Из выше изложенного, можно сделать вывод, что биоиндикация позволяет получить:

· отклик естественных ценозов по структурно-функциональному состоянию сообществ и наличию видов-индикаторов сапробности;

· отклик состояния сообществ экосистемы, прошедших адаптацию на уровне сообщества;

· оценку экологической емкости всей системы, обусловленную ее буферными свойствами, поскольку адаптация происходит с учетом всего комплекса действующих факторов;

· оценку состояния всей водной экосистемы и прогноз ее развития (регресс, прогресс, модификация) проводящую в сравнении с фоновыми данными конкретной местности до антропогенного вмешательства (если они есть).

3.3 Использование организмов для биоиндикации

Организмы, применяемые для глобальной биондикации, должны занимать большие территории, например как лишайники (симбиоз гриба и водоросли), деревья, степные травы. Локальные биоиндикаторы должны обладать набором хорошо измеряемых морфологических признаков (например у дафний - форма "головы", "хвоста", "шлема" и "антенн", зависящих от внешних факторов или у рыб - пятна на чешуе, изменение формы плавников). См. таблица 2.3.

Это представители двух надцарств - прокариоты, эукариоты, четырех царств - дробянки (к которым относятся сине-зеленые водоросли), растения, грибы, животные (двух типов - одноклеточные и многоклеточные). Для выявления токсичных, мутагенных и канцерогенных свойств загрязнителей применяются гаметы и хромосомы лейкоцитов. Для оценки воздействия загрязнений на метаболизм используются ферменты.

Объекты для чувствительной биондикации представляют собой виды организмов, первыми исчезающие при загрязнении экосистемы (ракообразные, некоторые виды простейших). Накапливающая биондикация основана на контроле организмов, аккумулирующих загрязнения, например из воды и бентоса (моллюски). Свойство аккумуляции загрязнений, определяемое с помощью биологического контроля, учитывается при выработке государственных природоохранных нормативов для водоемов рыбохозяйственного назначения.

3.4 Основные подходы биоиндикации

Рассмотрим основные методы в биоиндикации, см. рис. 3.2.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 3.2. Основные методы биоиндикации.

3.4.1 Экспертная оценка состояния экосистем

Основана на методах биоиндикации, использующих сведения о видовой структуре, численности и биомассе индикаторных группировок организмов, о динамических характеристиках популяций, показателях развития организмов, особенностях их распределения. Многие из этих методов предполагают статистическую обработку исходных данных, математическое моделирование вероятных откликов биоты на неблагоприятные воздействия, а также получаемых на основе этих данных различного рода индексы. Наглядным примером экспертной оценки может служить классификатор качества вод Росгидромета, используемый в системе мониторинга пресных вод много лет [71].

Классификатор оперирует, в частности, балльными индексами (индекс сапробности, биотический и олигохетный индексы), которые в свою очередь являются экспертными оценками экологического качества вод для отдельных групп организмов. Индекс сапробности для фито-, зоопланктона и перифитона вычисляется по формуле Пантле-Букка в модификации Сладечека [77]. Биотический индекс для зообентоса находится по методу Ф. Вудивисса, согласно которому по мере повышения уровня загрязнения вод происходит упрощение видовой структуры бентоценоза за счет выпадения индикаторных таксонов при достижении предела их толерантности на фоне снижения общего разнообразия организмов, объединенных в так называемые группы Вудивисса. Олигохетный индекс, основанный на увеличении представительности олигохет с ростом уровня загрязнения, рассчитывается как отношение численности видов класса Oligochaeta к общей численности зообентоса.

Другой классификатор качества вод представляет собой балльную шкалу оценок состояния, базирующуюся на объединении нескольких как биологических, так и физико-химических характеристик, в том числе индекса сапробности по Сладечеку, индекса сапробности по Ватанабе, прозрачности воды по диску Cекки, содержания хлорофилла, валовой суточной продукции фитопланктона, биомассы фитопланктона, удельной электропроводности воды. В основе отмеченного индекса Ватанабе, как и в случае с индексом Сладечека, лежит анализ сообщества видов-индикаторов сапробности, имеющих свой индикаторный вес. Однако метод разработан только для диатомовых водорослей, представляющих лишь небольшую часть сообществ гидробионтов, что является существенным недостатком метода [77].

Помимо индексов сапробности, в последнее время чрезвычайно широкое применение при изучении природных сообществ получил индекс видового разнообразия Шеннона, заимствованный из теории информации.

В последние годы разработана современная экспертная система оценок, основанная на методе экологических модификаций [1, 77]. Метод включает следующие градации оценки состояния экосистем:

- фоновое состояние,

- состояние антропогенного экологического напряжения,

- состояние антропогенного экологического регресса

- состояние антропогенного метаболического регресса.

Один из методов применения экологических модификаций основывается на определении изменений интенсивности общего метаболизма биоценоза, оцениваемых через продукционные характеристики фитопланктона. В качестве характеристик интенсивности метаболизма используют отношение продукции и деструкции фитопланктона, а также характер вертикального распределения хлорофилла, определяемый по его негативной флуоресценции, в том числе и дистанционными методами анализа.

Экологические модификации биоценоза оценивают через посредство его функциональных характеристик: отношение общего дыхания сообществ водных беспозвоночных к его суммарной биомассе, отношение продукции к биомассе, а также отношение продукции к энергии, рассеиваемой популяцией в пространство. Предложена схема общих критериальных тестов инвариантных состояний сообщества зообентоса для выявления экологического и метаболического прогресса и регресса донного сообщества [77]. Выявление экологической модификации сообщества макрозообентоса проводят с помощью индекса Раддэма [63]. Группы и виды макрозообентоса распределяются по различным классам в соответствии с их устойчивостью к закислению, причем границы между классами выбраны таким образом, чтобы каждый класс соответствовал определенной экологической модификации.

В последнее время признается необходимость интегрального подхода при экспертной оценке состояния водных экосистем. Например, в основу экспертной классификации речных экосистем по показателям зообентоса может быть положен интегральный индекс экологического состояния по биологическим показателям, учитывающий такие гидробиологические параметры, как численность и биомасса бентоса; число видов в сообществе; видовое разнообразие, оцениваемое по индексу Шеннона; биотический индекс Вудивисса и олигохетный индекс Пареле. Интегральный индекс (ИБО) рассчитывается по формуле:

ИБО = (?B_i)/N_b, (3.1)

где B_i - используемые биологические показатели, выраженные в относительных единицах на 4-балльной шкале; N_b - количество отобранных биологических показателей.

На основе ИБО и интегрального индекса экологического состояния по химическим показателям (ИХС) вычисляется обобщенный индекс экологического состояния водотока (ИИЭС), позволяющий выделить три типа экологического состояния:

- зону экологического бедствия,

- зону экологического кризиса,

- зону относительного экологического благополучия.

На основе объединения нескольких биотических индикаторов путем оптимального распознавания образов возможно построение так называемого обобщенного портрета исследуемого сообщества организмов, т.е. уравнения оптимальной плоскости, переводящей пространство индикаторных признаков в бинарный вид и, соответственно, разделяющей это пространство на "нормальную" и "патологическую" части.

Ряд предлагаемых интегральных оценок состояния водных экосистем основан на том, что исходные гидробиологические показатели нормируются в некоторой единой шкале, после чего суммируются.

Предложенная единая 5-балльная шкала имеет положительную связь между интегральным показателем антропогенного воздействия на живые компоненты речной экосистемы и большинством измеряемых гидрохимических характеристик воды и донных отложений. Шкала использует суммарную шкалу качества вод по четырем показателям зообентоса: индекс Гуднайта-Уитли и Вудивисса, индекс сапротоксобности и индекс соотношения численности хирономид на основании значений данного показателя предполагается провести выделение границ классов состояния экосистем.

В настоящее время для мониторинга пресноводных водоемов по зообентосу применяется свыше 60 методик оценки состояния экосистем, использующих различные индексы или их функциональные комбинации. Учитывая это, предложена методика мониторинга пресных водоемов по важнейшим характеристикам бентосных сообществ с использованием комбинированного индекса загрязнения.

Индекс объединяет значения 6 показателей бентосного сообщества (суммарной численности, суммарной биомассы, числа видов, индекса Шеннона, олигохетного индекса Пареле (ОИП) и средней сапробности пробы, рассчитанной как средневзвешенная сапробность трех первых доминирующих по численности видов).

Активно используются в оценке состояния водных экосистем высшие и низшие фотосинтетики. Экологические модификации сообщества макрофитов (экологический прогресс, экологический регресс, экологическая модуляция) - один из важнейших критериев при использовании высших растений в системе биомониторинга пресноводных экосистем.

Флористический анализ эколого-флористических и географических характеристик фитопланктона может быть использован при характеристике комплекса основных абиотических факторов водотоков и водоемов.

Метод оценки загрязненности водных экосистем на основе критериев, позволяющих количественно характеризовать возможные модификации фитопланктонного сообщества при различной антропогенной нагрузке, предусматривает статистическую обработку информации [73]. Использование статистических характеристик, ряда показателей развития фитопланктона позволяет классифицировать водоемы по уровню и типу загрязненности, проводить все операции сравнения (пространственные и временные) и проследить природные модификации сообщества в динамике как на отдельных участках, так и на водном объекте в целом. Однако этот метод требует большого массива данных многолетних исследований.

3.4.2 Метод оценки загрязненности пресноводных экосистем по показателям развития зоопланктонных сообществ

Метод основан на графическом представлении соотношения числа видов и общей численности зоопланктона [73]. Это соотношение представляет собой своеобразный рычаг механизма адаптации сообщества, позволяющий удерживать равновесие между биотой и средой ее обитания. Необходимость анализа совместного анализа этих показателей основана на том, что, во-первых, число видов и численность отдельно друг от друга не существуют, поэтому их необходимо рассматривать как две стороны одного процесса, одной цели - выживания и одного механизма - адаптации биоценозов к изменениям среды их обитания.

Во-вторых, многообразие водоемов характеризуется широким разбросом численности и числа видов (разброс является почти произвольным, так как является функцией многих причин, различных для разных водоемов).

Следствием и внешним проявлением адаптационных возможностей отдельных сообществ являются изменения структурной организации, свидетельствующие о развитии системы в направлении эволюции (прогресс) или инволюции (регресс). Графический способ обобщения информации позволяет выделить на графике зоны, отождествляющие состояние, как с прогрессивным, так и регрессивным развитием экосистемы, и дать экологическую интерпретацию возможных природных модификаций экосистемы как водоема в целом, так и отдельных его частей.

Оценку состояния водоема с помощью графика проводят по двум основным признакам: пространственному расположению векторов в системе декартовых координат и длине векторов. Первый признак отражает адаптационные способности сообщества, уровень напряжения внутренних связей и направление развития экосистемы, ее трофический тип. Второй признак показывает характер загрязненности водной среды и отклик биоты на воздействие (токсический или эвтрофирующий эффекты воздействия).

3.4.3 Анализ ранговых распределений

Ранговые распределения численностей или биомасс групп живых организмов представляют собой действенный инструмент количественного исследования экосистем, в том числе и для биоиндикации их состояния. В качестве групп могут выступать биологические таксоны, размерные классы, совокупности особей, объединенные по каким-либо физиологическим или иным признакам. Ранговое распределение обилий видов в сообществе получается путем упорядочения в порядке убывания полей обилий отдельных видов. Обнаружено, что в нормальном (ненарушенном, фоновом и т.п.) состоянии сообщества параметр рангового распределения заключен во вполне определенном диапазоне значений. Параметр рангового распределения специфичен для типа сообщества, для конкретной экосистемы, для сложившегося комплекса условий среды, к которым адаптировано сообщество. В той степени, в какой справедлив указанный закон, отклонения от него могут служить мерой патологии состояний сообщества.

Метод ранговых распределений успешно применен для изучения состояния и отклика фитопланктона, зоопланктона на влияние ряда загрязняющих веществ. В результате чего удалось выявить эффекты, которые не заметны при использовании таких характеристик сообществ, как число видов и численность.

3.4.4 Метод функции желательности

Построение функции желательности, как эффективный способ свертывания информации о биоте, приведения ее в оценочную категорию, довольно широко используется. Для функции желательности:

- присуще соотнесение текущего значения той или иной индикаторной характеристики с максимумом (или эталоном), входит в метод Бателя - одну из процедур оценки воздействия на окружающую среду, применяемую и для целей экологического контроля

- наиболее желательна неотличимость текущего состояния от контроля, а повышение обилия индикаторного организма так же нежелательно, как и его снижение

- желательным признается наиболее вероятное (чаще всего встречающееся) состояние или многолетнее среднее. Удобной и часто используемой является функция желательности Харрингтона.

Функция распределения как видов, так и размерно-морфологических групп фито- и зооперифитона предоставляет возможность получения значений желательности четырьмя способами:

1) через указание наиболее желательного значения параметра на основе вида эмпирической функции его распределения;

2) по левой и правой границам диапазона желательных значений;

3) по левой границе и месту расположения оптимальной желательности;

4) по правой границе и месту расположения оптимальной желательности.

3.4.5 Эталонное оценивание

Идея использования эталонных экосистем изначально лежала в основе системы экологического мониторинга [23]. Такой подход, по сути, мало отличается от вышеупомянутых экспертных оценок.

Идея эталонных экосистем была практически осуществлена в виде программы фонового мониторинга, как одного из элементов государственного контроля состояния природной среды. Проводя систематические наблюдения за изменениями абиотических условий в заповедниках или на территориях, достаточно удаленных от крупных промышленных центров и не подверженных интенсивному антропогенному воздействию, можно получить представление о тех естественных колебаниях абиотических факторов, которые не приводят к каким-либо нарушениям экологических процессов в соответствующих биоценозах.

Необходимо иметь в виду, что, во-первых, неясно, насколько по этим естественным колебаниям можно судить о допустимых или предельных уровнях изучаемых абиотических факторов; во-вторых, надо учитывать, что каждая биологическая система уникальна; в-третьих, эталонные экосистемы выбираются не столько на основе оценки их стабильности или полноценности, как биологических систем, сколько по соображениям отсутствия интенсивного антропогенного воздействия на уровень загрязнения.

Более обоснованным представляется выделение эталонных участков в пределах каждой конкретной экосистемы или в каждом конкретном водоеме. Поскольку любые изменения в уровнях абиотических факторов вызывают структурные изменения (т.е. изменения видового состава) в сообществе, то критерием для такого выделения должно быть относительное постоянство видовой структуры в пределах эталонного участка. Это постоянство можно оценивать, измеряя сходство видового состава в пробах, собранных на станциях экологического мониторинга.

Измеряя сходство видового состава сообщества на тех же станциях в течение ряда лет, можно выделить группу станций, на которых видовая структура остается стабильной не только в пространстве, но и во времени.

3.4.6 Показатели эффективности функционирования биоценозов

Достаточно распространены способы оценки состояния экосистем по структурным, продукционным показателям отдельных компонентов биоты. Изучение всего биоценоза в целом мало реально из-за большого объема работы, как правило, выбирается одна или несколько индикаторных групп (таксономических или функциональных) и изучаются необходимые параметры внутри нее. Такая группа должна удовлетворять следующим критериям: содержать легко определяемые виды; отбор проб не должен наносить ущерб природным комплексам; изменение разнообразия в группе должно коррелировать с изменением разнообразия сообщества в целом.

Существует и другая точка зрения, заключающаяся в том, что оценка качества среды производится в отношении здоровья всей экосистемы в целом путем интегрирования показателей здоровья ее компонентов, представленных разными видами живых существ [21].

Обобщенные концептуальные определения здоровья экосистемы включают:

1) гомеостаз;

2) отсутствие повреждений;

3) разнообразие или сложность;

4) стабильность или упругость;

5) энергия или пространство для роста;

6) баланс между компонентами системы.

Необходимо рассматривать все или, по крайней мере, большинство из определений одновременно.

3.4.7 Оценка состояния биоты, основанная на отклонениях от нормального функционирования отдельных организмов

Изучая различные морфологические, биохимические, цитогенетические, иммунологические характеристики, заболеваемость растений и животных, населяющих водные объекты, можно судить об определенных нарушениях в экосистемах, связанных с влиянием антропогенных факторов. Такой подход имеет главный недостаток, присущий также методам лабораторного биотестирования: как правило, для индикации состояния всей экосистемы берется один или несколько видов, для которых исследуется ограниченное количество признаков. Оценка состояния, вынесенная по данным такого эксперимента, не может быть экстраполирована на весь биоценоз. В отличие от лабораторных тест-объектов организмы, извлеченные из естественных местообитаний, демонстрируют реакции на весь спектр химических, физических, климатических факторов, характерных для данной экосистемы. Поэтому появляющиеся в последнее время интегральные методы оценки, основанные на исследовании различных типов откликов у целого ряда видов из разных трофических групп, могут иметь перспективу и составить конкуренцию традиционным методам, использующим индексы сапробности, индексы разнообразия и т.д.

В настоящее время все большее количество сторонников появляется у обобщенной оценки благополучия экосистемы путем интегрирования ответа на вопрос о здоровье ее компонентов, представленных разными видами живых существ. Особенностью подобной методологии, названной авторами БИОТЕСТ [21], является то, что исследуются организмы разных таксономических групп, а интегральным показателем их благополучия предлагается считать эффективность физиологических процессов, обеспечивающих нормальное развитие организма. В нормальных условиях организм реагирует на воздействие среды посредством буферных гомеостатических механизмов. Под воздействием неблагоприятных внешних воздействий эти механизмы могут быть нарушены. Такие нарушения гомеостаза могут наблюдаться до появления изменений, фиксируемых стандартными методами. Поэтому данная методология носит упреждающий, профилактический характер.

Все многообразие современных подходов экологического контроля антропогенного воздействия на качество природных вод базируется на данных биоиндикационных исследований. Основой биоиндикации является определение качественного (видового) и количественного (численность, биомасса, количество видов) состава гидробионтов различных биоценозов.

3.5 Биотестирование

В отличие от биоиндикация предполагает проведение лабораторных экспериментов с живым.

Биотестирование (БТ) - вид биологического контроля объектов окружающей среды, основанный на измерении тест-реакции тест-организма к вредному фактору.

По длительности воздействия вредных веществ на организмы различают: тесты на выявление токсичности острой (длительность менее 96 часов) и хронической (более 96 часов). В последних тестах учитывается эффект адаптации живых организмов к вредным факторам.

В современных биотестах прослеживается переход от модельных организмов к модельным экосистемам, которые по степени глобальности делятся на:

· макрокосмы (например, отгороженные участки моря),

· мезокосмы (как правило, почвенные сообщества),

· микрокосмы (несколько взаимосвязанных видов организмов низших уровней).

Такой подход позволяет моделировать сложные ситуации и строить прогнозы их разрешения с высокой достоверностью. С другой стороны, контроль состояния модельных экосистем требует применения комплекса технических средств, способных оперативно отслеживать динамику показателей состояния, что представляет собой достаточно сложную проблему.

Наиболее широко работы по биоиндикации и биотестированию были развернуты в разных странах мира с конца 60-х годов. Исследования проводились в научных центрах многих городов СССР и за рубежом. В настоящее время они продолжаются в России, в ряде республик СНГ, в странах Европы, в США, Японии. На рис.3.3. приведены приемы биотестирования, используемые в мониторинге.



Рис. 3.3. Приемы биотестирования, используемые в мониторинге

3.6 Использование организмов для биотестирования

Биотестирование как вид лабораторного биологического контроля проводится только на основании рекомендованных и утвержденных методик с использованием специально выращенных лабораторных организмов. Все процедуры проведения опытов и обработки результатов описываются в международных стандартах ISO (International Organisaton for Standartisation) или в природооохранных нормативных документах (ПНД) РФ, близких по содержанию к ISO (см. табл. 3.4.).

Таблица 3.4. Основные разделы нормативных документов по биотестированию

ПНД	ISO
Введение *	Introduction
Назначение и область применения	Scope and field of application
Принцип метода	Principle
Условия проведения теста *	Test environment
Метрологические характеристики методики	Interpretation and validity of the results
Справочная литература *	Reference
Средства измерений, посуда, реактивы, материалы, растворы	Reagents and materials. Apparatus
Условия безопасного проведения работ	**
Требования к квалификации операторов	**
Условия выполнения измерений	**
Подготовка к выполнению измерений	Treatment and preparation of samples
Проведение анализа	Procedure
Обработка и оформление результатов	Expression of results
Контроль погрешности	Precision
Форма представления результата анализа	Test report
Приложение А (справочное): характеристика тест-объекта	Annex А,В,С-описание выращивания тест-объекта.
Приложение Б (обязательное): выращивание тест-объекта	Методики измерения реакции, примеры вычислений результатов
Приложение В ( обязательное ) подготовка тест-объекта к анализу	-

* Могут отсутствовать или входить в качестве подраздела.

** Могут определяться дополнительными документами.

Таблицы 2.4., 3.4 содержит перечень организмов, которые рекомендованы различными стандартами биотестирования, для определения качества воды, токсичности полимеров, исследования мутагенности веществ и излучений.

За рубежом стараются применять для экологического контроля организмы, выбор которых был бы понятен не только специалистам, но и присяжным заседателям, так как результаты тестирования могут быть подвергнуты по требованию фирм судебной проверке.

Для контроля необходимо отбирать организмы с учетом следующих требований:

1) хозяйственной и экологической значимости вида;

2) безвредности организма для человека, изученности его возможных форм;

3) чувствительности к загрязнителям окружающей среды.

При биотестировании, как правило, не используются организмы-мутанты, полученные методами генной инженерии. Предпочтение отдается видам, существующим в природе. Используются различные гидробионты - водоросли, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы.

Для биотестирования необходимы организмы, реагирующие на низкие концентрации загрязнителя и способные сохранять хемочувствительность при изменении (в требуемом диапазоне) других факторов окружающей среды, например температуры и кислотности. Как правило, наиболее чутко реагируют на вредные вещества организмы, живущие в пресной и проточной водах. Поэтому в биотестирование применяют пресноводные инфузории P. caudatum, дафнии, радужную форель, аквариумных рыбок вида Brahydanio (обитателей ручьев и представителей промыслового семейства карповых). Контроль реакции водорослей (Chlorella, Scenedesmus) необходим для оценки воздействия загрязнителей на фотосинтез. Водоросли могут также использоваться как стандартизированный корм для дафний и рыб. В некоторых биотестах размножение дафний контролируется косвенным методом - по выеданию ими микроскопических водорослей и, обусловленному этим процессом, изменению цвета культуральной среды.

Бактерии E.coli кишечной микрофлоры желудка человека и ферменты позволяют исследовать воздействие загрязнений водных сред на метаболизм “in vivo” и “in vitro”.

Сперматозоиды крупного рогатого скота теряют свою подвижность при попадании в среду с вытяжками вредных полимеров.

В биотестировании находят все большее распространение одноклеточные организмы. Выращивание больших популяций микроорганизмов, применяемых в биотехнических методах биологического контроля (ряда видов бактерий, грибов или их ферментов), возможно лишь в автоматических культиваторах - ферментерах. Поэтому применение подобных биообъектов предполагает наличие инфраструктуры обеспечения биологического контроля. Простейших можно получать для опытов как методами автоматизированного непропорционально-проточного культивирования, так и в обычной лабораторной посуде (в чашках Петри или пробирках).

Из табл. 2.4 видно, что искусственно синтезировать среду и корм целиком невозможно. Можно лишь обеспечить некоторую стандартизацию условий. Например, бактерии (часто используемые как первичный корм организмов) разводят на мясопептонном бульоне (МПБ) или студнеобразном агаре (МПА), которые приготавливают из мясной вырезки с добавлением солей и пептона (продукта гидролиза белка). Поэтому составы бульона и агара зависят от качества мяса. Гаметы тоже невозможно получить в полностью контролируемых условиях. Выделение из периферической крови лейкоцитов и искусственная стимуляция их деления не полностью соответствуют естественному механизму размножения кровяных клеток, что затрудняет трактовку мутаций.

Ведущее положение в различных областях мониторинга и охраны окружающей среды, в том числе в системе экологического нормирования химических веществ занимают биотестовые методы на дафниях - ветвистоусых ракообразных, относящихся к семейству Daphniidae - Daphnia magna, D. longispina, Ceriodaphnia dubia, Ceriodaphnia affinis. и др.

К достоинствам дафнии, как тест-объектам, относится:

- Сравнительная простота культивирования и содержания;

- Наглядность функциональных изменений при экстремальных воздействиях и легкость их учета;

- Многоклеточная организация, что делает этот объект более адекватным высшим организмам, чем широко используемые культуры одноклеточных организмов;

- Сравнительно высокая чувствительность к токсическим воздействиям;

- Всесторонняя изученность вида, что позволяет анализировать особенности механизмов действия токсического агента.

При биотестировании на дафниях можно регистрировать различные тест-реакции, но традиционными остаются выживаемость и плодовитость; среди других чаще всего используются поведенческие реакции, морфометрия и окраска тела, скорость выедания корма и др. для токсикологической оценки водной среды.

Среди простейших приоритет принадлежит представителям типа инфузорий (Ciliophora): Tetrachymena pyrifomis (Ehrenberg) Schewiakoff давно и достаточно успешно применяется для оценки токсичности и пищевой ценности продуктов питания человека и животных по снижению прироста количества простейших. Инфузории рода Paramecium, также широко используются в токсикологической практике, наиболее известные виды - Paramecium caudatum, Paramecium putrinum, Paramecium aurelia, Paramecium multinucleus. Позволяют определить по хемотаксической реакции простейших дозозависимые эффекты различных фармакологических препаратов, косметических средств, кормовых и пищевых продуктов.

Stylonychia mytilus (Способ позволяет получить оценку острой токсичности кормов. Метод широко внедрен в сельскохозяйственную практику), Colpoda steinii, Euplotes balteatus, и др.

Инфузории как тест-объекты обладают рядом достоинств:

- высокая чувствительность к токсикантам различной природы;

- короткий жизненный цикл;

- высокая скорость размножения;

- сочетание признаков эукариотной клетки и целостного организма;

- ярко выраженные таксисы;

- простота содержания в лабораторных условиях.

По сравнению с другими группами простейших, инфузории имеют наиболее сложное строение и отличаются разнообразием функций. При разработке и применении биотестов большое значение имеет его стандартизация. Культура инфузорий легко подвергается стабилизации при проточном культивировании, когда скорость роста культуры регулируется скоростью протока среды. При биотестировании на инфузориях о токсичности исследуемой пробы судят по выживаемости, интенсивности размножения, изменению двигательной активности, поведенческим (таксическим) реакциям и др.

Одни из наиболее чувствительных тест-организмов - водоросли. Важность их для биотестирования определяется тем, что, являясь первичными продуцентами, водоросли представляют собой основу пищевых цепей в природных экосистемах. В качестве тест-объектов используют представителей разных отделов водорослей, различные тест-реакции и критерии токсичности. Наиболее часто в качестве тест-организмов используют зеленые водоросли - хлореллу (Chlorella vulgaris Beijer) - изменение оптической плотности зеленых водорослей и сценедесмус (Sctnedesmus quadricauda) - изменение уровня флуоресценции хлорофилла и численности клеток зеленых водорослей.

Токсичность воды оценивается по прекращению фотосинтеза (водоросли обесцвечиваются или приобретают коричневую или желтую окраску), по отмиранию клеток, по изменению формы и окраски хроматофора и другим показателям.

Культуры одноклеточных водорослей находят широкое применение в биотестирование по следующим критериям:

· Отработана методика культивирования и использования водорослей для исследовательских задач;

· Возможна регистрация тест-реакций разного уровня интегральности - как функциональных (реакций фотосинтеза, так и популяционных, что особенно важно при оценке потенциального экологического ущерба от загрязнения;

· Возможно аппаратное оснащение регистрации тест-реакций;

· Возможно получение быстрого (минуты) ответа на появление токсического начала в окружающей среде.

Особый интерес представляют биотесты на рыбах в связи с их важностью как высшего звена в трофической цепи водных экосистем. Широко используемой в качестве объекта исследований костистой рыбы - вьюна, Misgurnus fossilis L. Принцип оценки жизнеспособности сперматозоидов по двигательной активности состоит в активации сперматозоидов в среде и регистрации их подвижности с помощью цифровой камеры или на фотопленке.

Существует целый ряд биотестов, основанных на использовании в качестве тест-организмов различных видов рыб. На первом месте среди них стоит методика биотестирования на гуппи - Poecillia reticulate Peters (По гибели).

Этот вид живородящих тропических рыбок, удобный для культивирования и наблюдений, можно отнести к чувствительным по отношению к целому ряду загрязняющих веществ. Для биотестирования природных вод пригодны и другие виды рыб. Допускается использование рыб, отловленных непосредственно из обследуемого водного объекта. При этом следует иметь в виду, что разные виды рыб обладают неодинаковой чувствительностью по отношению к токсикантам. Для биотестирования подходят высокочувствительные и среднечувствительные виды. К высокочувствительным относятся форель - Salmo trutta fario, пескарь - Gobio gobio, плотва - Rutilus rutilus, верховка - Leucaspis delineatus, судак - Stizostedion lucioperca, к среднечувствительным - окунь - Perca fluviatilis, красноперка - Scardinius erithrophthalmus, голавль - Leuciscus cephalus, лещ - Abrarnis brama, гольян - Phoxinus phoxinus, карп - Cuprinus carpio, уклейка - Alburnus alburnus. Набор регистрируемых тест-реакций рыб весьма разнообразен. Наряду с выживаемостью (общим показателем жизнедеятельности) регистрируют различные физиологические, биохимические и поведенческие реакции.

Загрязнение морских вод можно оценивать и с помощью адаптированных к солености воды морских организмов (люминесцирующие бактерии: V.fisheri, P.phosphoreum), хотя их чувствительность к загрязнителям ниже из-за постоянного обитания в среде со сложным химическим составом.

Для морских вод - жаброногих ракообразных Artemia salina L., культуры планктонных водорослей Phaeodactylum tricornutum Bohlin и Sсeletonema costatum. Морские планктонные организмы также могут служить объектами токсикологического контроля. Наиболее удобными в лабораторных исследованиях, а также и весьма чувствительными тест-объектами являются копеподы Acartia clausi Giesbrecht, 1889 (сем.Acartiidae), Oithona minuta Kricz, 1873 (сем.Oithonidae) и кладоцеры Penilia avirostris Dana, 1849 (сем.Sididae). Удобными объектами лабораторного культивирования и токсикологических исследований являются гидроидные полипы (Cordilophora incermanica Marphemin и C. caspia Pallas, 1771 (сем.Clavidae). О токсикологическом воздействии можно судить по росту колоний, количеству гидрантов и другим морфофункциональным показателям. Возможно использование в качестве тест-объекта сцифоидной медузы Aurelia aurita L. с использованием показателя чередования поколений как особенности индивидуального развития (метагенез).

Используется также морской циркумполярный вид коловраток Brachionus plicatilis (Muller) и планктонный вид жаброногих ракообразных Artemia salina. Предличинок длиннорылой камбалы и японского анчоуса на фитотоксичность (тест-объект - семена редьки, Raphanus sativus) и на токсичность (тест-объект - черви Eisenia foetida).

Для биотестирования солоноватых водоемов и предустьевых участков рек удобными объектами являются Moina brachiata Jurine, 1820 (сем.Daphniidae), Diaphonosoma brachyurum Lievin, 1848 (сем.Sididae), Diaptomus salinus Daday, 1885 (сем. Diaptomidae). Показателями токсичности водной среды служат выживаемость и плодовитость ракообразных, причем чувствительность этих объектов, как правило, значительно выше традиционной в биотестировании артемии или альготестов на водорослоях.

Для оценки состояния почв и снеговой воды используются тест-объекты злаки. Считается, что подавление роста и развития растений на 30 и более % свидетельствует о фитотоксичности объекта. Испытано 3 злака: рожь, ячмень, пшеница. Несложность, быстрота, компактность проведенного метода позволяет рассматривать данные культуры как перспективные организмы для разработки гостированных методик для биотестирования применительно к определенному сезону года.

Для оценки токсичности донных осадков и воды используют жаброногого рачка Аrtemia salina и одноклеточную водоросль Phaeodactylum tricornutum.

Регистрируемыми показателями является выживаемость и скорость роста науплиусов А. salina, изменение численности Ph. Tricornutum.

По изучению токсичности сырой нефти используют трубкожилов Microdeutopus grillotalpa A.Costa, 1853 (сем. Aoridae); Corophium bonelli M.-Edwards, 1857 (сем.Corophiidae); Erichtonius difformis M.-Edwards, 1830 (сем.Corophiidae); Jssa ocia Bate, 1862 (сем.Jssidae), а также псаммофильных ракообразных: изопод Eurydice pontica Czerniavsky,1868 (сем. Cirolanidae), кумовых раков Iphinoe moetica Sowinskyi, 1893 (сем.Bototriidae), гарппактикоид Canuella furcigera Sars, 1903 (сем.Canuellidae); амфипод Ampelisca diadema A.Costa, 1853 (сем. Ampeliscidae).

Экспресс-оценка эмбриотоксичности испытуемой водной среды по уровню свободных радикалов у эмбрионов и зародышей лягушек. Объекты исследования: зародыши травяной (Rana temporaria L.) или шпорцевой (Xenopus laevis D.) лягушек, стандартизированные по возрасту.

В России в качестве тест-объекта используют около 5 видов (Lemna minor L., L. trisulca L., L. gibba L., Spirodela polyrrhiza L., Wolffia arrhiza L.). Особенное морфологического строения, высокая скорость размножения, чувствительность к среде обитания - все это сделало ряску удобными объектом для биологического тестирования.

В Голландии различные полезные для человека растения используются в качестве тест-объектов на больших площадях страны: гладиолусы и тюльпаны являются тест-объектами на накопление фторидов; итальянская ржаная трава - тест-объект на накопление ионов тяжелых металлов.

3.7 Особенности биотестирования водных объектов

В развитых странах при контроле качества вод при исследовании каждой пробы обязательно, кроме гидрохимических определений, предусматривается осуществление токсикологического контроля. Показатель «токсичноcть» как норматив при контроле сточных вод и выдаче разрешений на их сброс в природные водоемы применяется в таких странах, как Дания, Франция, Германия, Ирландия, Нидерланды, Великобритания, Норвегия, Бельгия, Швеция, Канада, США, Япония и др.

В соответствии с "Правилами охраны поверхностных вод", действующими в РФ с 1991 г., биотестирование является обязательным элементом системы контроля качества вод. Согласно "Правилам" в общие требования к составу и свойствам воды водных объектов рыбохозяйственного пользования включены показатели токсичности (острое и хроническое токсическое действие), по которым нормируется качество воды.

Токсичность следует рассматривать как одну из характеристик качества воды. В то же время под токсичностью и токсикологическими показателями часто подразумевают содержание токсичных загрязняющих веществ в воде. Так эти термины трактуются в ГОСТе.

В данной работе за токсичность принимали интегральную характеристику качества воды, которая обусловлена присутствием в ней токсичных для гидробионтов загрязняющих химических веществ.

Количественный анализ какой-либо примеси в воде сам по себе не дает ответ на главный вопрос о ее опасности для биоты. Поэтому в нашей стране и за рубежом сейчас ведутся активные поиски методов интегральной оценки качества водной среды, среди которых первостепенное значение приобретает биотестирование.

Биотестирование позволяет решить ряд вопросов, связанных с оценкой токсического действия отдельных химических веществ, их смесей, сточных и природных вод (табл. 3.5).

Согласно ГОСТ 27065-85 СТ СЭВ 5184-85, биотестирование воды - это оценка качества воды по ответным реакциям водных организмов, являющихся тест-объектами. Согласно действующим нормативам [60], вода контрольного створа (природная вода) не должна оказывать токсического (хронического, острого) на тест-объекты, используемые для биотестирования воды. Задача биотестирования - установить наличие токсичности (острого или хронического токсического действия). Биотестирование представляет собой классический экспериментальный методический прием, используемый в водной токсикологии. Идентификация природы загрязняющих веществ не является задачей биотестирования, однако позволяет получить оценку реальных токсических свойств воды, т.е. вредных эффектов природной воды на водные организмы.

На настоящий момент базовым является понятие тест-объекта, под которым понимают чувствительный биологический элемент, способный реагировать на внешние воздействия, т.е. изменения параметров среды обитания. В качестве тест-объектов могут быть представлены любые уровни организации живого: ферментные системы, рецепторный аппарат, изолированные органеллы, клетки, ткани и отдельные органы многоклеточных организмов, целостные организмы (одно- и многоклеточные), одного или нескольких биологических видов (ценозов) [7].

Более крупной иерархической единицей по отношению к тест-объекту является тест-система, под которой понимается пространственно-ограниченная совокупность чувствительных биологических элементов, т.е. тест-объектов и среды их обитания. Сложность тест-системы определяется числом входящих в нее элементов (тест-объектов) и характером связей, устанавливаемых между ними и средой.

В процессе биотестирования на тест-систему могут оказывать влияние, как минимум, три группы факторов (См. рис. 3.3.).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 3.3. Группа факторов оказывающие влияние на тест-систему в процессе биотестирования.

1. Факторы исследуемого объекта окружающей среды (природные и сточные воды, почва, атмосферные осадки и т.д.) в негативной или активированной в процессе пробоподготовки форме, т.е. действующей форме, обеспечивающей целевое воздействие на тест-систему.

2. Экспериментальные факторы, с помощью которых тест-систему целенаправленно выводят за пределы физиологического оптимума, в основном с целью повышения чувствительности, но, как правило, за счет сужения динамического диапазона. Такой специфический прием повышения чувствительности используют в химико-биологическом методе микроанализа.

3. Совокупность неконтролируемых воздействий, определяющих случайную составляющую погрешности процедуры измерения.

Применения второй группы факторов вызывает сомнения в плане получения достоверной биологической информации. Следует иметь в виду, что дополнительные функциональные нагрузки на тест-объект, выводящие его из зоны оптимальности, делают невозможным корректную экстраполяцию результатов биотестирования на природные объекты, поскольку в оптимальных условиях гомеостатических буферных механизмов может оказаться достаточно для компенсации потенциального снижения приспособленности. В условиях, близких к граничным, все физиологические механизмы работают на пределе своих возможностей, и любая дополнительная нагрузка может снизить приспособляемость организма. Гарантированную биологическую информацию можно получить при проведении биологического анализа с использованием набора биотестов (как минимум, трех).

В результате воздействия всех групп факторов тест-объекты и тест-системы претерпевают количественные и качественные изменения, проявляющиеся соответствующими реакциями тест-системы на различных уровнях ее организации и функционирования. Реакции отличаются по скорости проявления, чувствительности, способам трансформации их в аналитический сигнал, особенностям регистрации результатов анализа и, следовательно, воспроизводимостью. В зависимости от целей и задач биотестирования выбирают соответствующую тест-реакцию, под которой понимают одну из закономерно возникающих ответных реакций тест-системы на воздействие внешних факторов, выбранную для анализа состояния этой тест-системы. Для оценки степени проявления тест-реакции вводят тест-критерий - показатель, на основании которого оценивают изменения состояния тест-системы под влиянием комплекса внешних факторов. Одна тест-реакция, в зависимости от какого-либо параметра, например времени (продолжительности) эксперимента, может иметь набор тест-критериев, на основании которых дают оценку токсического воздействия объекта (воды, донных отложений и др.) [66].

На основе изучения особенностей реагирования гидробионтов различных экологических и систематических групп на воздействие токсических компонентов промышленных, городских и сельскохозяйственных сточных вод (фенолов, амино-, нитросоединений, тяжелых металлов, нефтепродуктов, СПАВ и др.) в бывшем СССР разработано свыше 40 методов биотестиронания и их модификаций [33, 39].

На ряд методов имеются международные стандарты. Так, для тест-объекта дафнии - ИСО 6341-1982, для тест-объекта водоросли - ИСО 8692, для тест-объекта рыбы - ИСО 7346/1-1984, ИСО 7346/2-1984, ИСО 7646/3-1984, по отбору проб воды - ИСО/ТК 147/С 6-1990 [64].

Имеются национальные стандарты для следующих тест-объектов [64]: рыб (Австрия М 6263 ч. 1, 2, ч. 3; Великобритания 6068 р. 5-85; Венгрия 260.24-56; 2902/3-77; Дания 259-82; 6504-80; Норвегия 4757-82; Польша (1-04610 04-72; США Д 3696-78; Франция Т 90-303-85; Т 90-305-85; Т 90-307-85; ФРГ 38412.15-82), дафний (Австрия М 62-62-84; Великобритания 6068 р. 5-85; Венгрия 260.24-56; 22902/6-81; Нидерланды 6501-80; 6502-80; Польша 0-04610 03-72; Финляндия 50-60-84; Франция Т 90-301-83; ФРГ 38412.11-82), водорослей (Венгрия 2902/2-76; Нидерланды 6506-84; Польша 0-04610 05-74), микробиологических объектов (Венгрия 450/2-77), семян растений (Венгрия 22902/4-76), общие по токсикологии (Венгрия 22902/1-76, 2903/5-80; 22902/7-82; Польша 0-04610 01-72; США APH-AWWA-WPCF, Франция Т 90-304-80; ФРГ 384.12-82), для пресноводных рыбных водоемов (США D 1345-77; APH-AWWA-WPCF).

Использование методов биотестирования для определения качества природных вод является достаточно сложной задачей, так как химический состав природной воды обычно неизвестен, а концентрации загрязняющих веществ довольно низкие. Поэтому биотестирование природных вод требует использования высокочувствительных тест-объектов.

В настоящее время стратегия биотестирования природных вод развивается по двум основным направлениям:

1. Это подбор методик с использованием гидробионтов, представляющих основные иерархические структуры водной экосистемы, аналогично подходу при разработке ПДК загрязняющих веществ.

2. Это поиск наиболее чувствительных тест-организмов и тест-показателей, которые позволят уловить низкий уровень токсического загрязнения, связанный с присутствием относительно низких концентраций загрязняющих веществ.

Для выявления токсичности природной воды необходимо использовать не один, а несколько тест-организмов с личной чувствительностью, поскольку природная вода содержит комплекс различных загрязняющих веществ. То есть надежный контроль токсичности загрязненности природных вод может обеспечить, используя набор биотестов.

Существует два подхода к набору тест-организмов [47]:

1) система биотестирования должна содержать широкий набор организмов, представляющих все трофические уровни водной экосистемы;

2) набор методик должен быть минимальным, тест-организмы должны быть простыми, удобными в работе и достаточно чувстнительны к контролируемым загрязняющим веществам.

Универсальный набор методик биотестирования, рассчитанный на оценку интегральной токсичности, обусловленной присутствием в ходе всех загрязняющих веществ, теоретически невозможно разработать. По данным о сравнительной чувствительности не только различных тест-систем, но и о чувствительности тест-показателей одного и того же тест-объекта можно составить оптимальный набор методик для биотестирования природной воды на конкретном участке водного объекта в случае, если известны источники загрязнения или приоритетные загрязняющие вещества. Использование набора тест-систем является основой методологии биотестирования. До настоящего времени не ясно, как проводить итоговую оценку токсичности по результатам нескольких биотестов. В основном межведомственном нормативном документе [69] не предусмотрена оценка токсичности по набору биотестов. На практике наиболее применяемой является оценка результатов биотестирования "по наихудшему результату". Пробу считают токсичной, если токсичность обнаружена хотя в одном из биотестов при измерении наиболее чувствительной тест-реакции [66].

Метод должен обладать широкой разрешающей способностью (чтобы учитывать как острое, так и хроническое токсическое загрязнение), быть оперативным и достаточно удобным для проведения в полевых условиях. Необходимо определение общей токсичности пробы, токсичности взвешенных веществ и токсичности фильтрованной или отстоянной воды, поскольку распределение токсикантов в экосистеме возможно в воде, донных отложениях, взвешенных веществах.

Имеющиеся методы не могут быть использованы без корректировки и адаптации для исследований качества вод, так как:

1. Это связано с тем, что практически все методы при их разработке были ориентированы на токсикометрию химических веществ, а не оценку токсичности сточных, а тем более, природных вод, состав которых заранее не известен. Кроме того, существенную роль на качество (токсичность) среды оказывают не только сами химические вещества и вещества, получаемые в результате их взаимодействия, но и природная гидрохимическая характеристика конкретного водного объекта.

2. Существующие методы биотестирования водной среды зачастую не обеспечивают получение надежной и сопоставимой информации из-за отсутствия стандартизации основных моментов процедуры биотестирования.

3. Наличие методических пособий по методам биотестирования вод с использованием ограниченного числа тест-объектов.

Проведение биологического анализа воды методами биотестирования требует четких, стандартных условий и процедуры биотестирования. Это связано:

1. С относительно низкими концентрациями загрязняющих веществ и влиянием естественных физико-химических параметров природной воды на ее токсичность. Например, активная реакция среды, жесткость и т.д. способны маскировать антропогенное влияние.