Разработка биологических методов диагностики и контроля за состоянием объектов окружающей среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка биологических методов диагностики и контроля за состоянием объектов окружающей среды

биотестирование окружающий среда живой

Возрастающие масштабы антропогенного воздействия на природную среду усложнили задачу санитарно-химического контроля воды, почвы, атмосферного воздуха и других объектов за содержанием физиологически активных веществ. При многокомпонентном загрязнении объектов среды применение традиционных химических и физико-химических методов анализа при их высокой чувствительности и избирательности становится не эффективным, они не дают ответа о качестве природной среды и пригодности ее для обитания живых организмов.

Объективную информацию о состоянии окружающей среды и влиянии ее на живые организмы могут дать методы биотестирования, характеризующиеся простотой выполнения, не требующие сложного оборудования и дорогостоящих реактивов, а также высокой квалификации исполнителя. Применение биотестирования существенно удешевляет проведение санитарно-химического контроля за содержанием физиологически активных веществ (ФАВ).

Нами проведен широкий поиск и отбор организмов среди различных систематических групп микроорганизмов и водных беспозвоночных животных, имеющих небольшие размеры и отвечающих требованиям биотестов по доступности в природе, простоте культивирования и способности быстро воспроизводиться (размножаться) в лабораторных условиях, дающих при размножении биологический материал с идентичными свойствами, представляющих простые биологические системы, характеризующихся высокой чувствительностью к ФАВ в связи с чем возможностью использования в биологических методах оценки эколого-физиологического состояния объектов окружающей среды и контроле веществ, играющих исключительно важное значение в жизнедеятельности организма.

Определена чувствительность более 80 видов и штаммов микроорганизмов, принадлежащих к группам бактерий, актиномицетов, плесневых грибов и дрожжей, а также 10 видов беспозвоночных животных (веслоногих, ветвистоусых, жаброногих ракообразных, личинок комаров, одноклеточных, нематод) к 130 индивидуальным веществам неорганической, органической и элементоорганической природы и их смесям. Выделены в качестве наиболее чувствительных биотестов бактерии Sarcina lutea, Bacillus stearothermophillus, Azotobacter chroococum, плесневые грибы Aspergillus niger, Aspergillus awamori, актиномицеты Actinomyces olivaceus, Actinomyces viridochromogenes, дрожжи Torula Candida, одноклеточные Paramecium caudatum, ракообразные Daphnia magna.

Определена физиологическая активность и разработаны методы оценки количественного содержания в объектах среды фосфониевых солей и илидов фосфония с предельной нижней концентрацией 0,2 - 1,0 мкг/0,1 мл, эфиров тиосульфокислот - 0,00001 -0,005 мкг/0,1 мл, металлорганических соединений - 0,005 - 1,0 мкг/0,1 мл, фосфорорганических пестицидов - 20 - 1000 мкг/0,1 мл, катионов тяжелых металлов ртути и цинка с предельной концентрацией 0,01, кадмия - 0,5, таллия - 5 мкг/0,1 мл, а также определена физиологическая активность и разработан метод биотестирования элементоорганических пероксидов с использованием Paramecium caudatum с предельным содержанием 0,1 - 0,001 мкг/мл.

Установлена высокая чувствительность дафний, других ветвистоусых, а также жаброногих рачков (артемий) и личинок комаров рода Culex к фосфорорганическим пестицидам на уровне минимально летальных концентраций 10"³ - 10~⁴ мг/л, дафний и парамеций к катионам тяжелых металлов - 0,001 - 0,1 мг/л.

Определен уровень минимально летальных концентраций для дафний фенола, цианидов, хлора, брома, йода, ряда неорганических солей, а также хлорорганических (дилдрин. алдрин) и других классов пестицидов. По чувствительности к физиологически активным веществам и другим биологическим показателям в наибольшей степени требованиям биотестов среди гидробионтов отвечают дафнии вида Daphnia magna Straus.

Установлено, что дафнии, как и другие гидробионты, внешне практически одинаково реагируют на токсичные вещества, что связано с близостью их ответных реакций, направленных на поддержание гомеостаза при воздействии веществ различной химической природы. Организмы различных таксономических групп при воздействии токсикантов отвечают комплексом сходных физиологических реакций, что исключает возможность диагностики веществ путем традиционного биотестирования.

Для решения задач диагностики ФАВ в объектах окружающей среды обоснован принципиально новый физиолого-биохимический подход к их биотестированию, базирующийся на учете физиологических механизмов их воздействия на структуры живого организма, учете взаимодействия веществ с некоторыми структурными метаболитами, участвующими в нормальном обмене веществ в живом организме, и в случае проникновения в него токсикантов, участвующими в их обезвреживании.

Разработана методология проведения анализа по диагностике веществ, заключающаяся в предварительном изменении их физиологической активности (детоксикации или токсификации) с последующим биотестированием дафниями. Детоксикация осуществляется веществами антидотного действия, токсификация - применением веществ, химически взаимодействующих с токсикантами и повышающих их токсичность. Изменение физиологической активности вещества в ту или другую сторону в процессе пробоподготовки и знание механизмов его биологического действия позволяет судить о природе анализируемого вещества.

Разработан комплекс биологических методов диагностики и количественной оценки в объектах среды физиологически активных веществ, в том числе групповой диагностики катионов тяжелых металлов, фосфорорганических пестицидов, специфической диагностики цианидов, фенола, фосфорорганических пестицидов-производных тиофосфорных кислот. Физиолого-биохимический подход положен в основу методов биотестирования токсичных примесей в хлорированной водопроводной воде, а также количественной оценки цистеина в растворах и биологических жидкостях.

В объектах окружающей среды: почве, кормах, других материалах, биологический контроль ФАВ в которых прямым биотестированием с помощью гидробионтов и микроорганизмов не представляется возможным, а также в случаях, когда содержание анализируемых веществ в воде и других объектах находится на уровне сублетальных концентраций или их физиологическая активность невелика и не вызывает реакции у биотеста, показана возможность их предварительного экстракционного извлечения из объекта органическими растворителями и концентрирования, с последующим биотестированием дафниями или микроорганизмами. Экстракция позволяет извлечь вещество, а концентрирование повысить его содержание до уровня, при котором возможно получение ответной реакции биотеста. Разработанная технология применена при биотестировании токсичных примесей в комбикормах, пестицида гранозана в протравленном зерне, трибитилоловоакрилата в воде, а также фосфорорганических пестицидов бутифоса и дихлорофоса при чрезвычайно низком их содержании в воде, соответственно менее 10» и 10» мг/л.

Установлена зависимость чувствительности организмов к ФАВ от физических и химических факторов среды, влияющих на результаты биотестирования. Создание дополнительной физиологической нагрузки на биотест путем повышения температуры (для гидробионтов) или упрощения химического состава питательной среды и обеднения ее по питательным веществам (для микроорганизмов) понижает их резистентность к внешним факторам, в том числе и к воздействию токсических веществ. Выполнение биотестирования при экстремальных для жизнедеятельности дафний температуре 35-36°С по сравнению с нормой повышает их чувствительность к фосфорорганическим пестицидам, катионам металлов, цианидам, хлору и другим веществам в 2-10 раз, а упрощение химического состава

питательной среды, исключение из ее состава белков, аминокислот, других сложных органических веществ повышает чувствительность микроорганизмов в 2-5 раз. Показана целесообразность использования в микробиологических методах биотестирования ФАВ синтетических глюкозо-минеральных питательных сред.

Биотестирование является универсальным методом контроля физиологически активных веществ как вредных для живого организма, так и полезных, являющихся жизненно-необходимыми, и поступающих из внешней среды, а также веществ, являющихся нормальными метаболитами и участвующих в обмене веществ в организме.

Установленная нами взаимосвязь между ростом гриба Aspergillus niger и содержанием в воде меди, цинка, железа, стимулирующие в низких концентрациях жизнедеятельность организмов, использована при оценке микроэлементного фона водной среды. Разработанный метод биотестирования по стимуляции жизнедеятельности биотеста позволяет установить доступность микроэлементов в среде для ее обитателей, сделать прогноз обеспеченности ими организмов в пищевой цепи, в том числе и человека и сельскохозяйственных животных, и в случае дефицита осуществить коррекцию путем введения в пищу или корма.

Разработан микробиологический метод количественной оценки содержания аминокислоты цистеина и других веществ, содержащих SH-группы, являющихся метаболитами г живом организме и участвующих з пластическом и энергетическом обмене веществ. Метод биотестирования основан на снижении цистеином токсического действия катионов ртути на растущую культуру гриба Aspergillus niger и позволяет количественно оценивать в водном растворе или биологических жидкостях содержание цистеина от 0,5 до 12 мкг в 0,1 мл.

Методы нашли применение в практике биотестирования производственных сточных вод, при определении токсичности комбикормов, осуществлении биологического скрининга химических продуктов и проведении других исследований, связанных с определением токсичности объектов среды и рекомендуются к более широкому внедрению в практику аналитического контроля зооветеринарными лабораториями при определении качества комбикормов на предприятиях по промышленному выращиванию домашних птиц, в рыбоводстве, при осуществлении мониторинга загрязнений природных сред аналитическими лабораториями природоохранных ведомств.

Предложенный метод количественного определения цистеина и других соединений, содержащих SH-группы, рекомендуется использовать в медико-биологических учреждениях и научно-производственных лабораториях физиолого-биохимического профиля.

Размещено на Allbest.ru