Проблемы чистой воды и охраны гидросферы становятся все более острыми по мере развития научно-технического прогресса. Уже сейчас во многих районах земного шара наблюдаются большие трудности в обеспечении водопотребления и водопользования вследствие количественного и качественного истощения водных ресурсов. В первую очередь это связано с загрязнением водоемов и забором из них больших объемов воды (зарегулирование, переброска части стока рек и др.), ведущегося в интересах энергетики, орошения земель, навигации и в других целях.

Настоящая работа была выполнена по заданию Воронежского Областного Комитета по экологии и охране природных ресурсов. В его штате отсутствуют гидробиологи, однако результаты гидробиологического тестирования сточных вод очень важны и интересуют Комитет. Пробы для тестирования были предоставлены лабораторией Комитета, а небольшое количество дафний для разведения и дальнейшего использования в опытах – кафедрой зоологии беспозвоночных Воронежского государственного университета.

Для тестирования были взяты стоки вод в прудах-отстойниках шести сахарных заводов области.

Результаты экспериментов переданы в Областной Комитет по экологии и охране природных ресурсов.

Современное состояние проблемы загрязнения водоемов и очистки сточных вод

Загрязнение водоемов в наибольшей степени связано со сбросом в них промышленных, сельскохозяйственных и бытовых стоков, с попаданием загрязняющих веществ из атмосферы и в результате деятельности человека на самих водоемах. Во многих водоемах загрязнение настолько велико, что привело к полной деградации их экосистемы, потере их хозяйственной и ландшафтной ценности.

Под загрязнением водоемов понимается ухудшение их экономического значения и биосферных функций в результате антропогенного поступления в них вредных веществ.

Из загрязняющих веществ наибольшее значение для водных экосистем имеет нефть и продукты ее переработки, пестициды, соединения тяжелых металлов, детергенты, антисептики. Чрезвычайно опасным стало загрязнение водоемов радионуклидами. Значительную роль в загрязнении водоемов играют бытовые стоки, лесосплав, отходя деревообрабатывающих предприятий и многие другие загрязнения, не относящиеся к токсическим, но ухудшающие среду гидробионтов.

Сточные воды – это воды, использованные на бытовые, производственные и другие нужды и загрязненные различными примесями, изменившими их первоначальный химический состав и физические свойства, а также воды, стекающие с территории населенных пунктов и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц.

В зависимости от происхождения, вида и состава сточные воды подразделяются на три основные категории:

1. Бытовые (от туалетных комнат, кухонь, столовых, больниц. Они поступают от жилых и общественных зданий, а также от бытовых помещений промышленных предприятий)

2. Производственные (воды, использованные в технических процессах, не отвечающие более требованиям, предъявляемым к их качеству)

3. Атмосферные (дождевые и талые, вместе с атмосферными отводятся воды от полива улиц, от фонтанов и дренажей)

Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные смеси, содержащие примеси органического и минерального происхождения, которые находятся в нерастворенном, коллоидном и растворенном состоянии. Степень загрязнения сточных вод оценивается концентрацией, т. е. массой примесей в единице объема (мг/л). Наиболее сложны по составу сточные воды промышленных предприятий. На формирование производственных сточных вод влияют перерабатываемое сырье, технический процесс производства, применяемые реагенты, промежуточные изделия и продукты, состав исходной воды, местные условия и др.

Эти воды могут различаться по концентрации загрязняющих веществ, по степени агрессивности и т. д.

Водоемы загрязняются в основном в результате спуска в них сточных вод от промышленных предприятий и населенных пунктов. В результате сброса сточных вод изменяются физические свойства воды (повышается температура, уменьшается прозрачность, появляются привкусы, окраска, запахи), на поверхности водоемов появляются плавающие вещества, а на дне образуются осадки, изменяется химический состав воды (увеличивается содержание органических и неорганических веществ, появляются токсические вещества, уменьшается содержание кислорода, изменяется активная реакция среды и др.), изменяется качественные и количественные бактериальный состав, появляются болезнетворные бактерии. Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого и технического водоснабжения, теряют рыбохозяйственное значение.

Первые шаги к усовершенствованию процесса очистки сточных вод связано с прямым использованием природного самоочищения и фильтрационной способности почвы. Уже в 19 столетии вокруг крупных промышленных центров были выделены специальные земельные участки, которые служили для очистки сточных вод. Они получили название полей фильтрации и полей орошения. Но длительность срока очистки и большие земельные площади делают эти способы малоэкономичными при быстро развивающемся производстве. При таком способе очистки возникают так же определенные санитарно-эпидемиологические трудности.

Следующим этапом развития способов очистки сточных вод было использование биологических прудов. Процесс очистки воды в них проходит по принципу естественного очищения обычного для водоемов и только отчасти регулируется человеком. Так очищаются стоки мясокомбинатов, молочных и сахарных заводов, кондитерских и других предприятий. Нередко такие пруды обеспечиваются принудительной аэрацией и циркуляцией воды. Отрицательным моментом работы биопрудов является длительность процесса очистки, который продолжается до 30 суток. Процесс очистки считается окончательным при следах азота аммонийного в воде.

Технический прогресс и все усиливающийся процесс индустриализации привели уже в начале 20 века к необходимости изыскать более быстрые и экономичные методы очистки сточных вод.

Методы искусственной биологической очистки, основанные на активной деятельности живых организмов, остаются в настоящее время основными экономичными и эффективными, обеспечивающие наиболее полное разложение загрязнений по сравнению со всеми иными индустриальными методами.

3. Методы анализа и тестирования сточных вод

Среди методов гидробиологического анализа поверхностных вод сапробиологический анализ занимает одно из важнейших мест. Разработанный еще в начале 20 века ботаником Кольквитцем и зоологом Марссоном сапробиологический анализ продолжает успешно применяться в повседневной практике гидробиологического контроля качества поверхностных вод.

Первоначально под сапробностью понималась способность организмов развиваться при большем или меньшем содержании в воде органических загрязнений. Затем экспериментально было доказано, что сапробность организма обусловливается как его потребностью в органическом питании, так и резистентностью по отношению к вредным продуктам распада и дефициту кислорода в загрязненных водах.

Теперь установлено, что в ряду организмов олигосапробы-мезосапробы-полисапробы возрастает не только специфическая стойкость к органическим загрязнителям и к таким их последствиям, как дефицит кислорода, но и их неспецифическая способность существовать при резко различных условиях среды. Это положение значительно расширяет возможности использования сапробиологического анализа не только в случае загрязнения вод бытовыми стоками, но и при их промышленном загрязнении.

В классической системе показательные организмы разделяются на три группы:

1. организмы сильно загрязненных вод – полисапробионты, или полисапробы;

2. организмы умеренно загрязненных вод – мезосапробионты, или мезосапробы;

3. организмы слабо загрязненных вод – олигосапробионты, или олигосапробы.

Полисапробные воды характеризуются бедностью кислорода и большим содержанием углекислоты и высокомолекулярных легко разлагающихся органических веществ – белков, углеводов. Население полисапробных вод обладает малым видовым разнообразием, но отдельные виды могут достигать большой численности. Здесь особенно распространены бесцветные жгутиконосцы и бактерии.

Мезасапробные воды характеризуются энергичным самоочищением. Большой численностью обладают грибы, бактерии и водоросли. В этих водах обитают беспозвоночные организмы, а также нетребовательные к кислороду виды рыб. Деревенские пруды, рвы и канавы на полях орошения обычно содержат мазосапробные воды.

В олигосапробных водах процессы самоочищения протекают менее интенсивно, чем в мезосапробных. В них доминируют окислительные процессы, нередко наблюдается пресыщение кислородом, преобладают такие продукты как аммонийные соединения, нитриты и нитраты. В этих водах разнообразно представлены животные и растительные организмы.

Олигосапробные воды – это практические чистые воды больших озер. Если такие воды произошли путем минерализации из загрязненных вод, то для них характерна почти полная минерализация органических веществ.

Дафния является мезосапробным организмом. С ее помощью можно определить достаточно хорошую степень очистки сточных вод. Так как она очень чувствительна к изменениям водной среды мы можем определить и недостаточную степень очистки воды. Поэтому мы проводили биотестирование сточных вод методом Дафния.

4. Биотестирование сточных вод методом Daphnia

К настоящему времени апробированы и используются на практике большое количество предельно допустимых концентраций различных веществ, успешно внедряются в практику народного хозяйства также нормы предельно допустимых стоков.

При избыточном поступлении стоков с высокими концентрациями вредных веществ нарушаются природные качества воды, и она становится непригодной для выполнения биологических функций организма. Это отрицательно сказывается на состоянии и развитии всех водных организмов и приводит к негативным состояниям стабилизированных экосистем, структура которых в большинстве случаев упрощается.

Часть ее компонентов, в первую очередь полезных человеку, частично вымирает, а ограниченное число отдельных представителей флоры и фауны может интенсивно развиваться и способствовать ухудшению природных качеств вод.

Задача настоящей работы заключается в контроле качества сточных вод, выбрасываемых сахарными заводами области. Контроль производится одним из самых допустимых биологических методов на ветвистоусом рачке Daphnia magna из отряда листоногие раки.

Для проведения данной работы требуются следующие материалы и оборудование:

Микроскоп МБС, лупы, гидробиологический сачок для отлова дафний, сачки для переноса дафний в сосуд для биотестирования, аквариум-отсадник объемом 5 л, цилиндры мерные объемом 0,5-2 л, пипетки мерные на 1,2,10 мл, стаканы химические объемом 200,100,50 мл, воронки стеклянные, чашки Петри, фильтровальная бумага

5. Характеристика тест-объектов

Род Daphniaвключает 50 видов и имеет повсеместное распространение. В пресных водоемах нашей области широко распространены 5 видов дафний.

Рачки вида Daphnia magna имеют более крупные размеры и их применение в токсикологических экспериментах предпочтительнее. Они обитают в стоячий водоемах и слабопроточных водах, особенно часто во временных пересыхающих водоемах, лужах. На территории нашей страны распространены повсеместно, кроме Заполярья и Дальнего Востока. Являются типичными мезосапробами, переносят осоление до 6%.

Короткий биологический цикл развития позволяет проследить рост и развитие дафний на всех жизненных стадиях. В течение жизни дафнии выделяют ряд стадий, сопровождающихся линьками: первые 3 следуют через 20-24-36 часов, четвертая – созревание яиц в яичнике и пятая – откладка яиц в выводковую камеру следуют с интервалами 1 -1,5 суток. Начиная с шестой стадии, каждая линька сопровождается откладыванием яиц. Растет дафния наиболее интенсивно в первые дни после рождения, после наступления половозрелости рост замедляется. Новорожденная молодь имеет размеры 0,7-0,9 мм в длину, к моменту половозрелости самки достигают 2,2 – 2,4 мм, а самцы – 2,0 – 2,1 мм. Максимальная длина тела самок может достигать 6,0 мм.

При благоприятных условиях и в лаборатории дафнии большую часть года размножаются без оплодотворения – партеногенетически, производят потомство, состоящее из самок. При недостатке пищи, перенаселении, изменении температурных условий и уменьшения светового дня в популяции дафний появляются самцы, и дафнии переходят к половому размножению, откладывая после оплодотворения «зимние яйца» (1-2) в эфиппиум, образованный из части створок раковины самок.

Период созревания рачков при оптимальной температуре 20-220С с хорошим питанием – 5 -8 дней. Длительность эмбрионального развития обычно 3-4 дня, а при повышении температуры до 25-46 часов. По истечении этого времени происходит вымет молоди. Партеногенетические поколения следуют одно за другим каждые 3-4 дня. Формирование яиц в кладке прекращается за 2-3 дня до смерти. В природе дафнии живут в среднем 20-25 дней, а в лаборатории при оптимальном режиме 3-4 месяца и более. При температурах свыше 250С продолжительность жизни дафний может сократиться до 25 дней.

Источником питания дафний в природных водоемах являются бактерии, одноклеточные водоросли, детрит, растворенные органические вещества. Интенсивность потребления корма зависит от его характера, концентрации в среде, температуры и возраста рачков. Процесс питания дафний непосредственно связан с движением грудных ножек, направляющих ток воды во внутрь раковины. Пищевые частицы, отфильтрованные на «сите», поступают в продольный желоб и передаются ко рту рачка.

Функции грудных ножек связаны с процессами дыхания. В жабрах (овальные выросты ножек) происходит газообмен. Дафния устойчива к изменению кислородного режима (от 2 мг О2/л), что связано со способностью синтезировать гемоглобин. В условиях пониженной концентрации растворенного кислорода дафнии приобретают красноватый цвет, а при благоприятных условиях – розовато-желтый цвет.

В лабораторных условиях мы использовали дрожжевой корм, который готовили следующим образом: 1 г свежих или 0,3 г воздушно-сухих дрожжей заливали 100 мл дистиллированной воды. После набухания дрожжи тщательно перемешиваются. Отстаивают 30 минут. Добавляют надосадочную жидкость в сосуды с рачками в количестве 3 мл на 1 л воды.

Подготовка дафний к биотестированию проходила по следующей схеме: 30-40 рачков с выводковыми камерами полными яиц или зародышей на 3-4 суток до тестирования пересаживают в 1-2-хлитровые емкости (стаканы) с аквариумной водой, в которую перед посадкой дафний вносят корм. После появления молоди (каждая самка может выметать от 10 до 40 молодых дафний) взрослых особей удаляют с помощью стеклянной трубки, а одно-двухдневную молодь используют для биотестирования. Необходимое для тестирование количество дафний определяется числом контрольных проб воды и их разбавлений. Так, для тестирования одной пробы с одним повтором, в трехкратной повторности, потребуется 60 дафний (в каждый сосуд для тестирования помещают по 10 рачков)

6. Тесты токсичности на Daphnia

Существуют несколько тестов-методов определения токсичности природных и сточных вод на Daphnia, разработанных разными авторами. Мы пользовались тестом Министерства мелиорации и водного хозяйства СССР 1986 года «Биотестирование сточных вод с использованием Daphnia»

При биотестировании определяют острое и хроническое токсическое воздействие вредных веществ на животных. За острое принимается действие, оказываемое сточной водой на Daphnia в течение от 10 минут до 96 часов и проявляющееся в их обездвижении или гибели. Перед биотестированием проводились подготовительные работы, включающие получение исходного материала для лабораторной культуры и ее выращивания. Для биотестирования отбирали пробу сточной воды из прудов отстойников шести сахарных заводов области. Для сравнения с фоном отбирали пробу воды вне зоны влияния сточных вод.

Пробы помещали в стеклянные емкости, которые заполняли под крышку, чтобы исключить доступ воздуха. Не допускается замораживание и консервирование отобранных проб. Биотестирование проводили сразу после отбора проб и доставки их в лабораторию. Запас воды для биотестирования хранили в холодильнике. Температура тестируемой воды +18-240С.

Биотестирование установившихся сбросов сточных вод производится для выявления и последующего осуществления контроля источников ЭВЗ (экстемально высокого загрязнения). Определяется острое действие тестируемых проб на дафний. Критерием острого токсического действия является выживаемость рачков, показатель выживаемости – количество выживших дафний за период тестирования. Тестируют сточную воду без разбавления и воду контрольную.

По 100 мл аквариумной и соответствующих проб воды наливают в сосуды для тестирования. В каждый помещают по 10 особей молоди дафний. Их вносят в сосуды для тестирования с помощью сачка диаметром 3-4 см из планктонного газа или пипеткой с резиновой грушей. Повторность трехкратная. Сосуды оставляют при рассеянном свете. Дафний в течение всего периода биотестирования не кормят. Подсчитывают количество погибших и обездвиженных дафний, последних включают в число погибших. Обездвиженным считается опустившийся на дно рачок, не поднимающийся в толщу воды через 10-30 секунд после встряхивания сосуда. Определяют количество выживших дафний. Учет проводят каждый час в течение первых 8 часов наблюдений, затем через 12 и 24 часа от начала тестирования, в последующем – в начале и конце рабочего дня.

7. Обработка и оценка результатов

Определяют среднюю арифметическую величину выживаемости дафний в тестируемой воде по сравнению с контролем и высчитывают процент отклонения от контроля. Тестируемая вода оказывает острое токсическое действие на дафний в том случае, если процент отклонения от контрольного показателя выживаемости дафний в течение 96 часов составляет менее 10. Результаты биотестирования выражают в баллах

В случае получения 0 баллов ситуация считается благополучной и не требует применения дополнительных водоохранных мер. При получении оценочного балла 1 ситуация считается неблагополучной и принимаются меры по улучшению работы имеющихся водоохранных сооружений. При оценочном балле 2 необходимо провести биотестирование соответсвующих проб воды для определения хронического токсического действия. Результаты биотестирования, выражающиеся в баллах 3,4,5 свидетельствуют о ситуации, которая может нанести существенный ущерб водному объекту и требуют принятия мер по организации дополнительных водоохранных мероприятий. Предприятия, на которых тестируемые пробы воды из контрольного створа водного объекта оценены баллом 3 и выше, включаются в перечень потенциальных источников ЭВЗ водных объектов и подлежат токсикологическому контролю

8. Выводы и предложения

В результате проведенных анализов были получены следующие результаты:

Без разбавления: Два сахарных завода (Эртильский и Грибановский) проводят сброс гипертоксических вод (5 баллов) в пруды-отстойники. Садовский сахарный завод проводит сброс высокотоксичных вод (4 балла), а три сахарных завода (Елань-Коленовский, Нижнее-Кисляйский и Перелешинский) проводят сброс среднетоксичных вод (3 балла) в пруды-отстойники.

При разбавлении 1:10: токсичность с гипертоксичной снижается до высокотоксичной.

При разбавлении 1:100: Гипертоксичность снижается, вода становится среднетоксичной.

Данные экспериментов были переданы в Областной Комитет по экологии и охране природных ресурсов. Все заводы занесены в перечень потенциальных источников ЭВЗ ввозных объектов и подлежат токсикологическому контролю.

Проведенная работа показала, что методика биотестирования проста и доступна. Ее можно рекомендовать для широкого применения в практике как специалистам гидробиологам природоохранных организаций и вузов, так и студентам вузов, техникумов и учащимся технических училищ и школ.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы биотестирования природных и сточных вод

1. Основные принципы методов биотестирования и критерии токсичности вод

Биотестирование (биологическое тестирование) - оценка качества объектов окружающей среды (воды и пр.) по ответным реакциям живых организмов, являющихся тест-объектами.

Это широко распространенный экспериментальный методический прием, который представляет собой токсикологический эксперимент. Суть эксперимента заключается в том, что тест-объекты помещают в исследуемую среду и выдерживают (экспонируют) определенное время, в течении которого регистрируют реакции тест-объектов на воздействие этой среды.

Приемы биотестирования широко применяются в различных областях природоохранной деятельности и используются по различным назначениям. Биотестирование является основным методом при разработке нормативов ПДК химических веществ (биотестирование токсичности индивидуальных химических веществ), и, в конечном итоге, при оценке из опасности для окружающей среды и здоровья населения. Таким образом, оценка уровня загрязнения по результатам химического анализа, т.е. интерпретация результатов с точки зрения опасности для окружающей среды, также в значительной степени опирается на данные биотестирования.

Методы биотестирования, будучи биологическими по сути, близки по смыслу получаемых данных к методам химического анализа вод: как и химические методы, они отражают характеристику воздействия на водные биоценозы.

Требования, применяемые к методикам биотестирования:

Чувствительность тест-организмов к достаточно малым концентрациям загрязняющих веществ.

Отсутствие инверсии ответных реакций тест-организмов на разные значения концентрации загрязняющих веществ в пределах тех значений, кот-е отмечены в природных водах;

Возможность получать надежные результаты, метрологическая обеспеченность методик;

Доступность тест-организмов для сбора, простота культивирования и содержания в условиях лаборатории;

Простота выполнения процедуры и технических приемов биотеста;

Низкая себестоимость работ по биотестированию.

Развиваются два основных направления работ по биотестированию:

Подбор методик с использованием гидробионтов, охватывающих основные иерархические структуры водной экосистемы и звенья трофической цепи;

Поиск наиболее чувствительных тест-организмов, которые позволили бы уловить низкий уровень токсичности при обеспеченной гарантии надежности информации.

Для токсикологической оценки загрязнения пресноводных экосистем на основе биотестирования водной среды рекомендовано использовать несколько видов тест-объектов: водоросли, дафнии, цериодафний, бактерии, простейшие, коловратки, рыбы.

Водоросли - основа пищевых цепей во всех природных экосистемах. Наиболее чувствительные организмы к широкой гамме химических веществ от детергентов до НФПР. Отмирание клеток, нарушение скорости роста, изменение процессов фотосинтеза и др. метаболич. процессов. Chlorella vulgaris, Scenedesmus quadricauda, Anabaena, Microcystis, Oscillatoria, Phormidium.

Бактерии - изменение скорости разложения (биодеградации) органических соединений/ Nitrosomonas, Nitrosobacter; изменение метаболических процессов в организме - Escherichia coli (оценка влияния токсиканта на сбраживание глюкозы)

Простейшие. Дафнии. ДДТ, (ГХЦГ)гексахлорциклогексан, ТЯЖЕЛЫЕ металлы (медь-цинк-кадмий-хром), биогенные элементы. Daphnia magna.

Коловратки

Рыбы. Гуппи (Poecillia reticulata) - металлы, пестициды; данио (Brachidanio rerio).

Рыбы природных вод. Высокочувствительные: - лососевые (форель), шиповка, пескарь, плотва, голец, судак, верховка; среднечувствительные: окунь, красноперка, лещь, гольян, карп, уклея.

Токсичность вод

О наличии токсичности судят по проявлениям негативных эффектов у тест-объектов, которые считаются показателями токсичности.

Среди показателей токсичности выделяют: общебиологические, физиологические, биохимические, химические, биофизические, и т.д.

Показателем токсичности является тест-реакция, изменения которой регистрируют в ходе токсикологического эксперимента.

Следует заметить, что под токсикологическими (биотестовыми) показателями в экологической и водной токсикологии понимают показатели биотестирования на различных тест-объектах. В тоже время в санитарно-гигиеническом нормировании под токсикологическими показателями понимают концентрации токсичных химических веществ (например, в нормировании питьевой воды они характеризуют ее безвредность).

При биотестировании проб природной воды обычно ставят два вопроса: - токсична ли проба природной воды; - какова степень токсичности, если таковая имеется?

В результате биотестирования проб на основе регистрации показателей токсичности делают оценку токсичности по критериям, установленным для каждого биообъекта. Результаты биотестирования опытной пробы с исследуемого участка сравнивают с контрольной, заведомо нетоксичной пробой и по разнице в контроле и опыте судят о наличии токсичности.

При этом эффекты воздействия делят на острые и хронические. Их обозначают как острое и хроническое токсическое действие или как острую и хроническую токсичность (ОТД и ХТД). Эти термины и используют для выражения результатов биотестирования.

Острое токсическое действие - воздействие, вызывающее быструю ответную реакцию тест-объекта. Его чаще всего измеряют по тест-реакции «выживаемость» за относительно короткий период времени.

Хроническое токсическое действие - воздействие, вызывающее ответную реакцию тест-объекта, проявляющуюся в течение относительно долгого периода времени. Измеряют по тест-реакциям: выживаемость, плодовитость, изменение роста и т.п.

Реакция тест-объектов на токсическое воздействие зависит от интенсивности или продолжительности воздействия. По результатам биотестирования находят количественную зависимость между величиной воздействия и реакцией тест-объектов.

Реакция организмов на воздействие токсических химических веществ представляет собой комплекс взаимосвязанных эволюционно сформировавшихся реакций, направленных на сохранение постоянства внутренней среды организма и в конечном итоге на выживание.

Выявлены определенные закономерности реакций организмов на токсические воздействия. В общем виде воздействие токсического вещества на организм описывается двумя основными параметрами: концентрацией и временем воздействия (экспозицией). Именно эти параметры определяют степень влияния токсичного вещества на организм.

Экспозиция - период, в течение которого организм находится под воздействием исследуемого фактора, в частности химического вещества. В зависимости от экспозиции различают острое или хроническое токсическое воздействие.

Результат токсического воздействия обычно называют эффектом токсического воздействия. Для описания зависимости между эффектом воздействия токсического вещества на организм и его концентрацией предложены различные функции, например, формула Хабера:

Где Е - эффект (результат) воздействия;

С - концентрация воздействующего вещества;

Т - время воздействия (экспозиция).

Е - представляет собой любой результат воздействия (гибель тест-объектов), а величины С и Т - могут быть выражены в соответствующих единицах измерения.

Как видно из формулы Хабера, между эффектом временем воздействия концентрацией имеется прямая функциональная связь: эффект будет тем большим, чем больше величина воздействия (конц-ция вещ-ва) и/или его продолжительность.

Формула Хабера позволяет сравнивать биологические эффекты различных химических веществ с помощью анализа их конц-ции или экспозиции. Отличия по какому-либо из этих величин отражают отличия в чувствительности организмов к токсическому воздействию.

При малых конц-циях или экспозициях эффект воздействия проявляется в популяции у небольшого числа тест-объектов, которые оказываются наиболее чувствительными, т.е. наименее устойчивыми к воздействию. По мере увеличения концентрации или экспозиции число устойчивых организмов падает, и в конце концов у всех (или почти у всех) организмов удается зарегистрировать четко выраженные эффекты токсического воздействия. В ходе токсикологического эксперимента находят зависимость отклика тест-объектов от величины или времени воздействия.

Параметры токсичности химического воздействия:

Летальная концентрация (ЛК50) - концентрация токсиканта, вызывающая гибель 50% тест-организмов за определенное время (чем ниже ЛК50, тем выше токсичность химического вещества или воды)

Максимальная недействующая концентрация - наивысшая измеренная концентрация химического вещества (тестируемой воды), не вызывающая наблюдаемого химического воздействия (чем ниже МНК, тем выше токсичность хим. вещ-ва или сточной воды).

Не все организмы одинаково реагируют на одно и то же воздействие. Реакция зависит от чувствительности к возд-вию.

Чувствительность организма к токсичному веществу - это совокупность реакций на его воздействие, характеризующих степень и скорость реагирования организма. Характеризуется такими показателями, как время начала проявления отклика (реакции) или конц-ция токсического вещ-ва, при которой проявляется реакция; она существенно отличается не только у разных видов, но и у разных особей одного вида.

Согласно ряду чувствительности, разработанному С.А. Патиным (1988), тест объекты можно расположить следующм образом:

Рыбы-зоопланктон-зообентос-фитопланктон-бактерии-простейшие-макрофиты.

Существуют и другие ряды чувствительности.

Например, при биотестировании вод целлюлозно-бумажных предприятий: водоросли-бактерии-рыбы (по уменьшению чувствительности).

Факторы, влияющие на биотестирование:

Факторы, влияющие на тест-организмы (экспозиция; условия культивирования, в природе - условия жизни растений и животных; возрастные особенности, сезон года, обеспечение тест-организмов пищей, температура (пессимум и оптимум), освещенность);

Факторы, определяющие физико-химические свойства тестируемой природной воды, от которых зависит ее токсичность для тест-организмов (свежесть пробы, наличие в ней взвешенных частиц).

2. Методы биотестирования на различных группах организмов для оценки качества природных и сточных вод

Рассмотрим основные методики определения острого токсического действия вод при кратковременном биотестировании на ракообразных, водорослях и инфузориях; метод определения хронического токсического действия вод на водорослях.

Способы обработки и оценки результатов биотестирования основаны на стандартных и широко используемых в отечественной и международной практике методах статистической обработки экспериментальных данных.

Прежде чем проводить эксперименты по биотестированию, нужно вырастить культуру тест-организмов.

Биотестирование на ракообразных

Методика предназначена для определения острой токсичности природной и сточной воды, сбрасываемой в водоемы.

1. Принципы культивирования рачков Daphnia magna Straus и Ceriodaphnia affinis Lilljeborg

Период созревания Daphnia magna до вымета молоди при оптимальной температуре и хорошем питании занимает 5-10 суток. Продолжительность жизни 110-150 суток, при температурах свыше 25 °С она может сокращаться до 25 суток.

При оптимальных условиях содержания партеногенетические поколения следуют одно за другим каждые 3-4 суток. У молодых дафний число яиц в кладке 10-15, затем оно возрастает до 30-40 и более, снижаясь до 3-8 и до 0 за 2-3 суток до смерти.

Культуру дафний выращивают в термостатируемом при 18-22 °С люминостате (освещенность 400-600 люкс, продолжительность светового дня 12-14 часов). Опыты по биотестированию вод желательно проводить в том же люминостате.

Для получения исходного материала для биотестирования 30-40 самок с выводковыми камерами, полными яиц или зародышей, за 1 сутки до биотестирования пересаживают в емкости объемом 0,5-2 л. После появления молоди их отделяют от взрослых особей с помощью капроновых сит с разным диаметром пор.

Принципы культивирования цериодафний аналогичны описанным для дафний. Следует помнить, что цериодафнии более требовательны к содержанию кислорода в воде (не менее 5 мг/л), оптимальная температура культивирования 23-27°С. Период созревания рачков от рождения до момента вымета молоди короче, чем у дафний - от 4 до 5 суток.

При биотестировании важно учитывать следующие моменты:

Молодь рачков в 4-5 раз более чувствительна к действию токсикантов, чем взрослые особи.

Кормление рачков во время острого опыта уменьшает токсичность примерно в 4 раза.

В мягкой воде токсичность веществ повышается. Ионы магния обычно уменьшают токсичность солей, ионы кальция - снижают токсичность.

Присутствие комплексообразующих веществ (гуминовые кислоты, аминокислоты и т.п.) увеличивает накопление токсикантов, но снижает их токсичность.

Дефицит кислорода в воде ускоряет накопление токсических веществ в водной среде.

Солнечный свет увеличивает токсичность в основном за счет возрастания количества свободных радикалов.

Определение устойчивости Daphnia Magna Straus к бихромату калия

Прежде всего необходимо оценить пригодность лабораторной культуры дафний для последующего биотестирования вод. Эталонным токсикантом служит бихромат калия.

Стакан емкостью 100-250 мл (21 штука).

Пипетки мерные на 1, 10, 25 мл 2-го класса точности (по 1 штуке). Колба для разбавляющей (контрольной) воды (РВ) емкостью 3 л. Мерные колбы на 100 мл (1 шт.), на 250 мл (1 шт.), на 500 мл (2 шт.), на 1000 мл (1 шт.).

210 рачков в возрасте 4-24 часа. Разница в возрасте особей не должна превышать 4 часов.

Приготовить 100 мл 0,1% раствора К 2 Сr 2 О 7 (1000 мг/л).

Для этого 0,1 г просушенного К 2 Сr 2 О 7 растворить в 100 мл дистиллированной воды.

Расставить 21 стакан с надписями по следующей схеме:

К1 0,25 мг/л 0,5 мг/л 0,75 мг/л 1 мг/л 2 мг/л 3 мг/л

К2 0,25 мг/л 0,5 мг/л 0,75 мг/л 1 мг/л 2 мг/л 3 мг/л

КЗ 0,25 мг/л 0,5 мг/л 0,75 мг/л 1 мг/л 2 мг/л 3 мг/л

Посадка рачков

Во все стаканы с растворами посадить по 10 рачков в возрасте строго 4-24 часа. Посадку производить с помощью микропипеток со съемными пластиковыми наконечниками. Концы наконечников предварительно необходимо обрезать под величину дафнии одно-двухдневки.

Эксперимент

Подсчет выживших рачков производят визуально через 24 часа. Во время опыта рачков не кормят. Смертность рачков в контроле не должна превышать 10%. Результаты заносят в протокол опыта.

3. Определение токсичности сточной (природной) воды на Daphnia magna

Материалы

Стаканы емкостью 150-250 мл (8-16 штук).

Колба для разбавляющей (контрольной) воды емкостью 3 л.

Мерные колбы на 100 мл (1 шт.), 1 л (1 шт.).

Мерный цилиндр или мерный стакан на 150-200 мл.

От 40 до 80 рачков в возрасте 4-24 часа. Разница в возрасте особей не должна превышать 4 часов.

Подготовка опыта

Расставить 16 стаканов с надписями по следующей схеме:

К1 Ст.вода б/р N 1 Ст.вода 1:10 N 5 Ст.вода 1:100 N 9

К2 Ст.вода б/р N 2 Ст.вода 1:10 N 6 Ст.вода 1:100 N 10

КЗ Ст.вода б/р N 3 Ст.вода 1:10 N 7 Ст.вода 1:100 N 11

К4 Ст.вода б/р N 4 Ст.вода 1:10 N 8 Ст.вода 1:100 N 12

Разлить по стаканам контрольную (разбавляющая вода) и испытуемую воду (ст.вода) по 150 мл на стакан:

К1-К4 - 600 мл разбавляющей воды (РВ),

Ст.вода б/р (без разбавления) - 600 мл (4 х 150 мл).

Ст.вода 1:10 - 100 мл Ст.воды б/р + 900 мл РВ = 1 л Ст.вода 1:10.

Ст.вода 1:100 - 100 мл Ст.воды 1:10 + 900 мл РВ = 1 л Ст.вода 1:100

Стаканы с растворами расставить в люминостате.

В обязательном порядке скорректировать рН проб до 6,5-8,5 с помощью растворов NaOH или НСl, если они не соответствуют указанным выше нормативам.

Насыщенность тестируемых проб кислородом также должна лежать в указанных рамках.

Посадка рачков

Во все стаканы посадить по 5 рачков в возрасте строго 4-24 часа.

Эксперимент

Подсчет погибших рачков производят визуально через 1, 6, 24, 48, 72, 96 часов (окончание определения острой токсичности). Смертность рачков в контроле не должна превышать 10%.

Результаты заносят в протокол опыта.

Биотестирование прекращают, если в любой период времени в опыте гибнет 50% и более особей.

Если А >= 50%, то тестируемая вода (опыт) остротоксична.

Если А < 50%, то тестируемая вода не оказывает острого токсического действия.

Для более точного определения острой токсичности строят график, где по оси абсцисс (ось X) откладывают время в часах, а по оси ординат (ось Y) смертность в процентах к контролю (А). Из графика находят ЛТ50 - время, в течении которого погибает 50% дафний.

Определение токсичности сточной (природной) воды на Ceriodaphnia affinis

Материалы

Пробирки емкостью 20 мл (20-40 штук).

Колба для разбавляющей (контрольной) воды емкостью 1 л.

От 40 до 80 рачков в возрасте 0,1-8 часов. Разница в возрасте рачков не должна превышать 4 часов.

Подготовка опыта

Расставить пробирки по 10 штук в ряду по следующей схеме:

К1 Ст.вода б/р N 1 Ст.вода 1:10 N 1 Ст.вода 1:100 N 1

К2 Ст.вода б/р N 2 Ст.вода 1:10 N 2 Ст.вода 1:100 N 2

К3 Ст.вода б/р N 3 Ст.вода 1:10 N 3 Ст.вода 1:100 N 3

К4 Ст.вода б/р N 4 Ст.вода 1:10 N 4 Ст.вода 1:100 N 4

К5 Ст.вода б/р N 5 Ст.вода 1:10 N 5 Ст.вода 1:100 N 5

К6 Ст.вода б/р N 6 Ст.вода 1:10 N 6 Ст.вода 1:100 N 6

К7 Ст.вода б/р N 7 Ст.вода 1:10 N 7 Ст.вода 1:100 N 7

К8 Ст.вода б/р N 8 Ст.вода 1:10 N 8 Ст.вода 1:100 N 8

К9 Ст.вода б/р N 9 Ст.вода 1:10 N 9 Ст.вода 1:100 N 9

К10 Ст.вода б/р N 10 Ст.вода 1:10 N 10 Ст.вода 1:100 N 10

Разлить по пробиркам контрольную (разбавляющая вода) и сточную воду (Ст.вода) по 15 мл:

К1-К10 - 150 мл разбавляющей воды (РВ).

Сточная вода б/р (без разбавления) - 150 мл (10 * 15 мл).

Сточная вода 1:10 - 25 мл Ст.воды б/р + 225 мл РВ = 250 мл Ст.вода 1:10.

Сточная вода 1:100 - 25 мл Ст.воды 1:10 + 225 мл РВ = 250 мл Ст.вода 1:100.

Пробирки с растворами расставить в люминостате.

Произвести замеры температуры в люминостате (норма 23-27°С), рН растворов (норма 6,5-8,5), концентрация растворенного кислорода (норма перед началом опыта 6 мг/л, в конце опыта - не менее 4 мг/л).

В обязательном порядке скорректировать рН проб до 6,5-8,5 с помощью растворов NaOH или НСl, если они не соответствуют указанным выше нормативам. Насыщенность тестируемых проб кислородом также должна лежать в указанных рамках.

Режим освещения в люминостате - 12-часовой с интенсивностью 400-600 люкс.

Посадка рачков

Во все пробирки посадить по 1 рачку в возрасте 0,1-8 часов. Разница в возрасте рачков не должна превышать 4 часа.

Эксперимент

Подсчет погибших рачков производят визуально через 1, 6, 24, 48 часов (окончание определения острой токсичности). Во время опыта рачков не кормят. Результаты заносят в протокол опыта.

Обработка результатов выполняется аналогична предыдущим.

4. Биотестирование с использованием водоросли

Scenedesmus quadricauda

Методика предназначена для определения токсичности природных и сточных вод.

Общие принципы культивирования микроводорослей

Эффективное культивирование одноклеточных зеленых водорослей в лаборатории определяется в основном наличием минеральных элементов в питательной среде, достаточно интенсивным освещением (2000-3000 люкс) и определенной температурой (18-20 °С).

Лучшей средой для выращивания зеленых водорослей для токсикологических является питательная среда Успенского N 1, которая содержит более низкую общую концентрацию солей.

Все манипуляции со средой Успенского N 1 при работе с водорослью Scenedesmus проводятся при строгом соблюдении условий стерильности.

Недопустимым является совместное культивирование данной водоросли с хлореллой в одном люминостате (хлорелла быстро засоряет и подавляет культуру сценедесмус).

Продолжительность опытов по выявлению токсичности вод может быть 4, 7, 14 и более дней в зависимости от поставленных задач. Максимальное накопление токсиканта в клетках водорослей отмечается, обычно, к исходу 3-4 суток, поэтому чаще всего определение острой токсичности ограничивают 4 сутками.

Если в результате биотестирования на острую токсичность выявлена достоверная стимуляция роста водорослей, то для окончательного суждения о токсичности пробы необходимо ставить хронический эксперимент (до 14 суток).

Достоверная стимуляция роста водорослей свидетельствует о наличии эвтрофирующего загрязнения, а достоверное угнетение роста водорослей - о наличии токсического загрязнения.

Подготовка культуры

В опыте использовать 5-10 суточную культуру, находящуюся в экспоненциальной фазе роста.

Перед посевом культуру сгущают одним из трех способов: - отстаиванием 2-3 дня, центрифугированием, фильтрованием через мембранный фильтр N 4 или фильтровальную бумагу с синей лентой. Полученная суспензия (концентрат) клеток используется для последующего посева.

Производится в большую опытную колбу емкостью 1,5 л, в случае биотестирования в колбах (по 100 мл) или в колбу емкостью 150 мл при биотестировании в пенициллиновых пузырьках (по 10 мл). Обычно требуется примерно 30 мкл суспензии на 30 мл воды.

В опытных колбах после посева должно быть около 200-300 тысяч клеток водорослей в 1 мл (не более 500 тысяч/мл) - едва заметное зеленоватое окрашивание на белом фоне.

Из большой колбы произвести разлив культуры по колбам (3 повторности по 100 мл) или пенициллиновым пузырькам (3 повторности по 10 мл).

5. Оценка результатов опыта по определению устойчивости культуры к бихромату калия

Подсчет производят с помощью микроскопа (например, типа "Биолам") при 80-100 кратном увеличении.

Для подсчета численности клеток используют счетную камеру Горяева или Фукс-Розенталя. Камеру и относящееся к ней покровное стекло обезжиривают, покровным стеклом накрывают камеру и притирают его до образования радужных колец интерференции. Из каждой колбы пипеткой наносят по одной капле тщательно перемешанной суспензии на верхний и нижний края покровного стекла. Камеру заполняют так, чтобы не образовывались пузырьки воздуха, избыток суспензии вытесняется по канавкам. Просматривают 16 квадратов по диагонали или все поле камеры в случае малой численности водорослей (при одном заполнении камеры просчитывают не менее 50 клеток).

Из каждой колбы просматривают не менее трех проб.

Оценка токсического действия химического соединения или тестируемой воды делается на основании достоверности различий между показателями численности клеток водорослей в контроле и в опыте.

При этом вычисляют:

а) средние арифметические величины численности клеток - Xi и X (из двух и шести подсчетов, соответственно).

б) численность клеток в процентах от контроля. Сумма (X - Xi)

в) среднее квадратичное отклонение (б):

где n - количество повторностей; в данном случае (см. табл.3.1) n = 3;

в) ошибку среднего арифметического (X): S = б/корень из n;

г) Td - критерий достоверности различий двух сравниваемых величин:

где Xk и Хо - сравниваемые средние величины (в контроле и опыте),

Sk - So - квадраты ошибок средних в контроле и опыте.

Td рассчитывают на каждые сутки и сравнивают с табличной величиной Tst - стандартным значением критерия Стьюдента.

Принимают уровень значимости Р = 0,05 и степень свободы (n1 + n2 - 2), т.е. (3 + 3 - 2) = 4.

Tst при степени свободы 4 равно 2,78.

Если Td больше или равно Tst, то различие между контролем и опытом достоверно - тестируемая вода загрязнена (токсическое или эвтрофирующее загрязнение)

Если Td меньше Tst, то различие между контролем и опытом не достоверно - тестируемая вода не загрязнена.

Для расчетов Td можно использовать калькуляторы типа МК-51 и МК-71, а также компьютерные электронные таблицы (например, программу "Сигма" ЦСИАК), что значительно ускоряет работу.

Для графического представления результатов биотестирования по оси абсцисс откладывают время в сутках, а по оси ординат либо число клеток водорослей в 1 мл, либо число клеток водорослей в процентах от контроля.

6. Определение устойчивости Scenedesmus quadricauda к действию бихромата калия

Добавить последовательно в 30 мл дистиллированной воды (контроль) 30 мкл KNO 3 , 30 мкл MgSO 4 , 30 мкл Ca(NO 3) 2 , 30 мкл КН 2 РО 4 , 30 мкл К 2 СО 3 .

Хронический опыт (в пузырьках)

На 7-е сутки биотестирования проводят смену контрольной и тестируемой воды в стерильных условиях. При этом в новую партию пузырьков наливают по 7,5 мл контрольной и тестируемой воды. Затем в пузырьки добавляют по 0,01 мл (10 мкл) каждого из 5 маточных растворов солей и по 2,5 мл старой культуры из пузырьков, в которых проводилось биотестирование в остром опыте. Подсчет численности клеток проводят на 7-е, 10-е и 14-е сутки.

На практике бывает удобно использовать таблицу оценки результатов биотестирования по 5-бальной шкале (таблица 3.3).

Необходимо помнить, что увеличение биомассы водорослей может быть связано с наличием эвтрофирующих загрязнений в испытуемой воде, в этом случае о наличии токсического эффекта можно судить после испытания на нескольких тест-объектах.

7. Биотестирование на инфузориях

В основу метода положен один из вариантов определения острой токсичности воды по выживаемости инфузорий Paramecium caudatum.

Используется:

Для определения токсичности сточных вод, поступающих на биологические очистные сооружения, что позволяет проводить технологическую корректировку режима подготовки и очистки сточных вод;

Для определения токсичности локальных потоков сточных вод, что позволяет выяснять их взаимодействие, определять вклад каждого потока в токсичность сточных вод отдельного предприятия, суммарную токсичность сточных вод, поступающих на биологические очистные сооружения;

Для определения токсичности водных растворов отдельных веществ и их смеси.

Принцип методики

Методика определения острой летальной токсичности сточной воды по выживаемости инфузорий основана на установлении количества погибших или обездвиженных особей после экспозиции в тестируемой воде. Критерием острой летальной токсичности является гибель или обездвиживание 50% и более особей в течение 1 часа в тестируемой воде по сравнению с их исходным количеством.

Тестовый организм

В качестве тест-объекта используют лабораторную монокультуру Paramecium caudatum Ehrenberg.

Paramecium caudatum - одноклеточные организмы размером 180-300 мкм. Тело сигарообразной или веретенообразной формы, покрытое плотной оболочкой (пелликулой).

Paramecium caudatum - массовый вид в пресной воде с высоким содержанием органических веществ. В сточной воде является часто основным видом, поли-альфа-мезосапроб. Простейшие, в том числе ресничные инфузории, составляют основную часть микрофауны активного ила. Они участвуют в освобождении очищаемой воды от взвешенных бактериальных клеток и от рыхлых, плохо оседающих бактериальных агломератов, способствуя тем самым повышению эффективности очистки.

Выделение и культивирование

Выделение из активного ила. Наиболее подвижную и крупную особь отлавливают из пробы активного ила очистных сооружений и переносят в микроаквариум со стерильной водопроводной водой.

Путем последовательного переноса этой особи из лунки в лунку добиваются отделения ее от других простейших и цист. Затем помещают отмытую инфузорию в пробирку со средой культивирования.

Через 7-8 суток из полученной таким образом монокультуры одну наиболее крупную и подвижную особь вновь переносят в свежую среду.

Спустя 8-10 суток культуру можно использовать для определения токсичности.

Культивирование инфузорий на молоке. Культуру парамеций выращивают на дехлорированной водопроводной воде, которую добавляют разбавленное в 20 раз такой же водой пастеризованное молоко. Пересевают культуру инфузорий один раз в месяц (при необходимости один раз в три недели).

Материалы и оборудование

Подсчет Paramecium caudatum производят с помощью бинокулярного микроскопа МБС-9, МБС-10 или иного, обеспечивающего 8-24 кратное увеличение. Конструкция микроаквариумов из прозрачного органического стекла приведена на рис.1. Для разбавления и внесения одинакового количества исследуемой пробы используют стандартные стеклянные пипетки.

Биотестирование проб воды проводят не позднее 6 часов после их отбора, при невозможности проведения анализа в указанный срок пробы воды охлаждают (+4°С).

Не допускается консервирование проб с помощью химических консервантов.

В качестве контрольной используют водопроводную воду, которую дехлорируют путем отстаивания и аэрирования с помощью микрокомпрессора в течение 7 суток.

Для определения токсичности отдельных веществ или их смеси из них готовят растворы путем добавления определенных количеств маточного раствора, исследуемого(ых) вещества(в) в водопроводную дехлорированную воду. Маточные растворы готовят на дистиллированной воде.

При проведении биотестирования температура исследуемой пробы должна соответствовать температуре культуры.

При наличии в пробе крупнодисперсных взвесей необходима фильтрация.

При проведении биотестирования значения рН тестируемых растворов должно находиться в интервале от 6,5 до 7,6.

Биотестирование проводят в помещении, не содержащем вредных паров и газов, при рассеянном свете и температуре воздуха 18-28°С.

Проведение биотестирования

Для биотестирования неразбавленной сточной воды или ее разбавлений, а также растворов отдельных токсических веществ (смеси веществ) используют микроаквариум с лунками, который помещают на предметный столик стереомикроскопа.

Одну из лунок заполняют культурой инфузорий с помощью капиллярной пипетки.

В свободные лунки капиллярной пипеткой рассаживают по 10-12 особей в каждую лунку, так чтобы на одну пробу тестируемой воды приходилось не менее 30 инфузорий в трех лунках (трехкратная повторность).

При посадке тест-объекта количество культуральной жидкости в лунке не должно превышать 0,02 мл.

Три лунки используют в качестве контрольных.

После посадки инфузорий наливают в контрольные лунки по 0,3 мл дехлорированной водопроводной воды, в опытные - по 0,3 мл пробы тестируемой воды. Отмечают время начала биотестирования и подсчитывают под микроскопом количество особей в каждой лунке.

Микроаквариум с заполненными лунками помещают в чашку Петри, на дно которой кладут фильтровальную бумагу, смоченную водой, чтобы не испарялось содержимое лунок, и выдерживают в течение 1 часа при температуре 22-24°С. По истечении этого времени производят подсчет выживших особей под микроскопом. Выжившими считаются инфузории, которые свободно перемещаются в толще воды. Обездвиженных особей относят к погибшим. Результаты подсчета записывают в рабочий журнал.

Результаты биотестирования считаются правильными и учитываются, если гибель инфузорий в контрольных лунках не превышала 10%.

После подсчета особей в каждой из трех лунок находят среднее арифметическое количество инфузорий, выживших в тестируемой воде.

Тестируемую воду оценивают как оказывающую острое летальное действие, если в течение 1 ч в ней гибнет 50% и более инфузорий.

При определении острой летальной токсичности разбавлений пробы сточной воды или водного раствора отдельного вещества (смеси) устанавливают среднюю летальную кратность разбавлений (среднюю летальную концентрацию), вызывающую гибель 50% тест-объектов в течение 1 часа - ЛКр 50 - 1 ч (ЛК 50 - 1 ч).

Для построения графика с целью расчета ЛКр 50 - 1 ч (ЛК 50 - 1 ч) тест-параметр выражают в условных единицах - пробитах, а кратность разбавления (концентрацию) - в логарифмических величинах.

На оси абсцисс откладывают логарифмы концентраций кратности разбавлений сточной воды (концентраций вещества), на оси ординат величины тест-параметра в пробитах. Полученные точки соединяют прямой.

Из точки на оси ординат, соответствующей 50% гибели тест-объекта, проводят линию, параллельную оси абсцисс до пересечения с линией графика.

Из точки их пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс и находят логарифмы ЛКР 50 - 1 ч.

Величину найденного логарифма переводят в величину кратности разбавления (концентрацию, выраженную в мг/л вещества).

Результаты биотестирования представляют в виде протокола.

После проведения биотестирования микроаквариумы промывают водой (температура не выше 40°С), протирают ваткой, смоченной в спирте, промывают дистиллированной водой.

Оценка токсичности воды с использованием биотеста на водорослях.

По формуле рассчитаем коэффициент прироста численности водорослей за 96 ч (4 сут).

M= 10 3 ,

где M - численность клеток водорослей, тыс.кл./мл;

m - число подсчитанных клеток;

n - число просчитанных маленьких квадратов камеры;

V - объем части камеры, соответствующей площади маленького квадрата, мл.

8. Оценка токсичности воды с использованием экспресс-биотеста на коловратках

Для определения возможного острого токсического действия исследуемой воды проводим эксспресное биотестирование на массовой культуре коловраток.

Для оценки токсического действия исследуемой воды используем средние данные о СОС (показатель скорости осветления среды). Рассчитаем СОС для опыта по формуле (2).

биотестирование вода токсичность калий

СОС =[(C 0 - C t)/(C 0 N t)]V,

где СОС - показатель скорости осветления среды, мкл/(экз. . мин);

C 0 и C t - число клеток водорослей в одном большом квадрате камеры Горяева в начале и конце биотестирования соответственно;

N - число коловраток в микроаквариуме;

t - время биотестирования, мин;

V - объем воды в микроакварему, мкл.

Литература

1. Бакаева Е.Н., Никаноров А.М. Гидробионты в оценке токсичности вод суши. М.: Наука, 2006. 257 с.

2. Бакаева Е.Н. Определение токсичности водных сред. Методические рекомендации. Ростов-на-Дону: Эверест 1999. 48 с.

4. Никаноров А.М., Хоружая Т.А., Бражникова Л.В., Жулидов А.В. Мониторинг качества вод: оценка токсичности. - С-Пб.: Гидрометеоиздат, 2000, с. 10- 15, 39-42.

5. Бакаева Е.Н. Эколого-биологические основы жизнедеятельности коловраток в культуре. Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 1999. 51 с.

6. Бакаева Е.Н. Возможность обеспечения гарантий качества информации с использованием методик биотестирования на коловратках // Научная мысль Кавказа. 1999 № 5. С. 26-36

7. Бакаева Е.Н., Макаров Э.В. Эколого-биологические основы жизнедеятельности коловраток в норме и в условиях антропогенной нагрузки. Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 1999. 206 с.

9. Никаноров А.М., Хоружая Т.А., Бражникова Л.В., Жулидов А.В. Мониторинг качества вод: оценка токсичности. - С-Пб.: Гидрометеоиздат, 2000, С. 16-39.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Методы биоиндикации по водорослям и биотестирования по Lepidium sativum L. Видовой состав водорослей и цианобактерий в сточных водах МУП "Уфаводоканал". Исследование количественного развития водорослей и цианобактерий в загрязненной и очищенной воде.

дипломная работа , добавлен 09.06.2014


Классификация сточных вод и методы их очистки. Качественный и количественный учет водорослей и цианобактерий. Методика определения токсичности воды по показателям кресс-салата (Lepidium sativum L.). Биотетстирование сточных вод МУП "Уфаводоканал".

дипломная работа , добавлен 06.06.2014


Состав сточных вод пищевой промышленности. Оценка влияния сточных вод пищевой промышленности на состояние природных вод, на животный мир водоемов. Правовые основы и методы обеспечения природоохранного законодательства в области охраны природных вод.

дипломная работа , добавлен 10.08.2010


Влияние воды и растворенных в ней веществ на организм человека. Санитарно-токсикологические и органолептические показатели вредности питьевой воды. Современные технологии и методы очистки природных и сточных вод, оценка их практической эффективности.

курсовая работа , добавлен 03.01.2013


Особенности использования методов биотестирования и биоиндикации для мониторинга состояния окружающей среды. Контроль качества природных и сточных вод на биоиндикаторе Daphnia magna Strauss. Чувствительность индикатора к различным химическим препаратам.

дипломная работа , добавлен 06.10.2009


Предназначение и основные методы биологической очитки воды. Важность качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов. Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и анаэробных условиях, оценка преимуществ данного метода.

реферат , добавлен 14.11.2010


Повторное использование сточных вод как гигиеническая проблема. Биологическое и химическое загрязнение сточных вод. Методы обезвреживания сточных вод и проблемы безопасности использования восстановленной воды. Экологическая оценка применения осадка.

курсовая работа , добавлен 27.12.2009


Проблема обращения с отходами производства и потребления. Исследование методик проведения биотестирования. Оценка тест-объектов. Целесообразность установления класса опасности отходов методом биотестирования для ЗАО "Тролза" с экономической точки зрения.

презентация , добавлен 21.06.2012


Источники загрязнения внутренних водоемов. Методы очистки сточных вод. Выбор технологической схемы очистки сточных вод. Физико-химические методы очистки сточных вод с применением коагулянтов. Отделение взвешенных частиц от воды.

реферат , добавлен 05.12.2003


Очистка и обесцвечивание природной воды коагулянтами и флокулянтами. Условия применения флокулянтов для очистки воды. Методы определения показателей качества питьевой воды. Исследование флоккулирующих свойств новых сополимеров акриламида в воде.

В качестве тест-объектов в водной токсикологии широко используются планктонные ветвистоусые ракообразные (Cladocera), в частности дафнии (лат. Daphnia).

Это обусловлено прежде всего тем, что:

Род Daphnia имеет очень широкое распространение в пресных водах и является ключевым звеном во многих водных пищевых цепях;

Вследствие прозрачности тела дафний, есть возможность визуального наблюдения за качеством эмбрионов, скоростью их созревания, темпом размножения, а также оценки физиологического состояния (сердцебиения, наполнения кишечника и т.д.) тест-объекта;

Есть возможность регулярной оценки народившейся молоди по ее морфологическим признакам, а также по выживаемости от родительского к дочерним поколениям;

Род Daphnia имеет относительно короткий жизненный цикл, что особенно важно для тестов на плодовитость;

Род Daphnia используется как один из наиболее чувствительных индикаторов (датчиков) присутствия в водной среде тяжелых металлов и фосфорорганических пестицидов .

Наиболее универсальным тест-объектом по чувствительности и адекватности реагирования на различные токсиканты признан вид Дафний - Daphnia magna Straus .

Рис.2.

Впервые этот вид Daphnia как тест-объект был использован в работе Э.Наумана в 1933 году. Дафнии широко применяются в биотестировании в таких странах мира, как США, Германия, Франция, Венгрия и др. Во многих из них дафния принята как стандартный тест-организм. В СССР начало подобных работ связано с исследованиями Н.С. Строгонова и его школы, Е.А. Веселова и Л.А. Лесникова. Дафнии как обязательный тест-объект включены в схему установления ПДК веществ-загрязнителей и сточных вод России .

Daphnia magna Straus имеет серо-желтую или красноватую окраску (при дефиците кислорода), не превышает 2-3 мм в длину, обитает в водоёмах, прудах, озерах почти повсеместно.

При благоприятных условиях в лаборатории дафнии большую часть года размножаются без оплодотворения, т.е. партерогенетически, производя потомство, состоящее из самок. Период созревания рачков при температуре 20±2 оС и хорошем питании - 5-8 дней. Длительность эмбрионального развития обычно 3-4 дня. По истечении этого времени происходит вымет молоди. Партеногенетические поколения следуют одно за другим каждые 3-4 дня .

Для культивирования дафний используется биологизированная вода из аквариума, кормом служат зеленые водоросли (хлорелла). Культуру выращивают в специальном климостате при температуре 20±2 оС и освещенности 400-600 лк при продолжительности светового дня 12-14 часов.

В токсикологических исследованиях на дафниях различают кратковременное (до 96 часов) и длительное (20 и более суток) биотестирование. Кратковременное биотестирование рассчитано на получение экспресс информации о состоянии проверяемого водоема, где основным показателем служит выживаемость гидробионта. Для более глубокого и тщательного исследования используют длительное биотестирование. Оно позволяет долговременный эффект действия токсикантов.

Большинство методов биотестирования с использованием дафний основывается на регистрации их смертности под воздействием загрязняющих веществ. Но еще до гибели тест-объектов токсиканты влияют на изменение их поведенческой активности. Под воздействием поллютантов у дафнии наблюдается либо резкое повышение двигательной активности, либо наоборот замедление. Таким образом фиксирование изменения плавательной активности дафний позволяет на ранней стадии определить токсичность воды.

Также было проведено несколько работ, в которых ставилось предположение, что траектория плавания дафнии является фрактальной структурой, а при внесении токсиканта фрактальная размерность меняется. (Shimizu, 2001).

Фрактал - математическое множество, обладающее свойством самоподобия, то есть однородности в различных шкалах измерения. Самоподобие является весьма общим свойством природных систем: бассейны крупных рек, пространственная структура колоний микроорганизмов и др. - обладают удивительной структурной универсальностью. Часто в этой связи говорят о фрактальности природных объектов. Термин «фрактал» и первые исследования с его использованием были проведены Бенуа Мандельбротом.

Фрактальная размерность - это мера геометрической сложности объекта. Следуя идее Мандельброта, фрактальную размерность можно определить методом подсчёта квадратов. Представим себе объект сложной формы, который сплошь покрыт квадратами, как миллиметровая бумага. Часть квадратов будет содержать элементы множества, другие квадраты будут пустыми. Число непустых клеток N зависит от формы объекта и от размеров квадратной ячейки E. Постулируется, что N пропорционально 1/ED (чем мельче решётка, тем больше непустых ячеек). Показатель степени D и является размерностью объекта. Например, для такой сплошной плоской фигуры, как круг, уменьшение размера решётки вдвое приведёт к увеличению количества непустых клеток в четыре раза (два в квадрате), потому что фигура обладает размерностью два. Для фрактала количество непустых клеток будет возрастать с несколько меньшим, дробным показателем степени. Описанная процедура не ограничивается математическими объектами или формами на плоскости. Аналогичным образом можно подсчитать фрактальную размерность реальных объектов, таких, как реки, облака, береговые линии, артерии или реснички, покрывающие стенки кишечника. Артерии человека, например, имеют фрактальную размерность порядка 2,7 .

Фрактальная размерность рассчитывается по формуле Каца и Георгия (1985):

FD= log (N)/ ,

где L - это общая длина плавательной траектории, D - это диаметр описанной траектории, N - количество сегментов.

В качестве токсиканта был использован пестицид Esfenvalerate. Представляет собой химическое действующее вещество пестицидов (пиретроид), используется в сельском и личных приусадебных хозяйствах для борьбы с вредными насекомыми.

Препараты на основе эсфенвалерата проявляют сильную поражающую активность как при наружном контакте, так и при попадании в пищеварительную систему членистоногих вредителей. Защита растений происходит также при помощи репеллентного, парализующего и антифидантного действия.

Препараты имеют достаточно длительный эффект последействия даже в условиях прямого солнечного освещения. Защитное действие длится около 15 дней.

Эсфенвалерат гидролитически устойчив. При попадании в водоем сохраняется в воде до 10 суток, при этом испарение не будет играть особой роли в его исчезновении. Лабораторные исследования показывают, что эсфенвалерат является весьма токсичным для водных организмов .

Введение

Многие известные заболевания человека имеют соответствие в генетическом коде плодовой мушки. Исследования на дрозофиле помогают понять фундаментальные биологические процессы, которые непосредственно связаны с человеком и его здоровьем. Они используются в моделировании некоторых заболеваний человека, например, таких как, болезни Паркинсона, Хантингтона и Альцгеймера, а также для изучения механизмов, которые лежат в основе рака, диабета, иммунитета, наркотической зависимости и многих других.

Drosophila melanogaster широко используется и для оценки качества окружающей среды. Так же она является генетической моделью при исследованиях насекомых, которые могут переносить опасные инфекционные болезни человека (Например, Culex pipiens - Вирус Западного Нила, Anopheles gambiae - малярию, Aedes aegypu - лихорадку Денге). Результаты исследований, полученные на дрозофиле, также дают ключ к пониманию генетических процессов, выявляемых при изучении важных для сельского хозяйства насекомых, таких как пчелы и тутовый шелкопряд, и насекомых - вредителей, к которым относится саранча и многие виды жуков и тлей.

Актуальность темы дипломной работы состоит в том, что Drosophila melanogaster широко используется и имеет огромное значение в жизни человека. Но во время ее культивирования и использования в исследованиях можно столкнуться с рядом проблем, которые необходимо изучать для облегчения работы с ней. Кроме того, существует мало литературы по методам ее культивирования.

Объект исследования - методика культивирования и использования Drosophila melanogaster в биотестировании.

Предмет исследования - эффективность методики.

Цель работы - разработать методы оптимизации использования Drosophila melanogaster в целях биотестирования.

Для того чтобы достигнуть поставленной цели были поставлены следующие задачи:

1. Выделить проблемы, связанные с биотестированием Drosophila melanogaster.

2. Найти подходы к реализации решения проблем.

3. Экспериментальным путем установить эффективность собственных и известных из литературы путей повышения эффективности использования Drosophila melanogaster как тест - объекта.

Биотестирование, как метод экологического исследования

Суть биотестирования и предъявляемые к его методам требования

молекулярный генетический дрозофила биотестирование

Биотестирование -- это такая процедура установления токсичности среды, при которой специальные тест - объекты информируют об опасности, при этом не зависят от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций [Ляшенко, 2012].

Определение характера и степени токсичности тестируемой среды и является целью биотестирования.

Само биотестирование основано на регистрации биологически важных показателей, так называемых тест - функций, исследуемых тест - объектов. После регистрации этих показателей производиться оценка их состояния в соответствии с выбранным критерием токсичности. В свою очередь тест - функции бывают биологические и физиологические. К биологическим функциям относятся выживаемость, плодовитость, размножение и качество потомства, а к физиологическим - дыхание, показатели крови, активность питания, обмен веществ [Ляшенко, 2012].

Тест - объектами (или иначе тест - организмами) называют такие биологические объекты, которые используют для оценки токсичности химических веществ. Проявляющийся токсический эффект регистрируют и оценивают в эксперименте.

Биотестирование в отличие от аналитических методов подразумевает слежение за антропогенными и природными процессами в биологических средах, которые включают всю совокупность взаимодействия агентов внешней среды с живым, в том числе и такие как выяснение ответной реакции биосред на антропогенные и природные воздействия [Иваныкина, 2010]. Такими ответами могут служить реакции на стресс - факторы. Методы имеют много преимуществ. Например, они более информативны для определения прямой реакции экосистемы на антропогенное воздействие. С помощью данных подходов в экологическом мониторинге можно получать объективную, а также количественную оценку процессов регенерирования объектов окружающей среды. Можно также, благодаря этим методам, оценить эффективность мероприятий по охране природы [Балакирев, 2013]. Также еще одним достоинством метода является определение общей токсичности, которые создаются присутствием экотоксикантов, не нормирующиеся существующими стандартами, но обладающие способностью вызывать разнообразные генотоксические, токсические, цитотоксические или мутагенные эффекты [Журавлева, 2006].

Кроме того, химико-аналитические и гидрохимические методы могут быть неэффективными, в силу их недостаточно высокой чувствительности. Биота может подвергаться токсическим воздействиям, которые не регистрируются техническими средствами связи с тем, что любой аналитический датчик не способен воспринимать такие низкие концентрации веществ по сравнению с живыми объектами [Мелехова, 2007].

В основе биотестирования лежит метод биологического моделирования. В определенной мере всякая модель является специфической формой отражения действительности. При биотестировании происходит перенос знаний с примитивной системы (смоделированной в лаборатории) на более сложную систему (экосистема в реальных условиях) [Маячкина, 2009]. По некоторым данным биотестирование - обязательное дополнение к химическому анализу, а также является интегральным методом оценки токсичности водной среды [Туманов, Постнов, 1983]. В стандарты по контролю качества вод различного назначения включены и методы биотестирования [Александрова, 2013].

Для того чтобы оценить состояние разных организмов, находящихся под воздействием естественных или антропогенных факторов проводят тестирование на биологических объектах, которые представляют собой комплекс различных подходов. Эффективность физиологических процессов, которые обеспечивают нормальное функционирование организма (например, такие как дыхание, обмен веществ, активность питания и тому подобное) является основным показателем их состояния. На воздействие среды организм реагирует посредством сложной физиологической системы буферных гомеостатических механизмов, но только при оптимальных условиях поддерживает оптимальное протекание процессов развития. Под воздействием неблагоприятных условий гомеостаз может быть нарушен, что приводит к состоянию стресса. Эти нарушения могут происходить до появления изменений, которые используются параметрами жизнеспособности. Таким образом, методы биотестирования, основываются на исследовании механизмов гомеостаза и его эффективности, а также позволяют уловить присутствие воздействия стресс - фактора раньше, чем другие, обычно используемые методы [Мелехова, 2007].

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства