Анализ тест-реакций лабораторных культур гидробионтов на хроническую токсичность поверхностных вод Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 574.64:57.083.3

Н.А. Клименко, О.А. Бедункова Национальный университет водного хозяйства и природопользования г. Ровно, Украина

АНАЛИЗ ТЕСТ-РЕАКЦИЙ ЛАБОРАТОРНЫХ КУЛЬТУР ГИДРОБИОНТОВ НА ХРОНИЧЕСКУЮ ТОКСИЧНОСТЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД

Аннотация. Проведена оценка хронической токсичности поверхностных вод реки в пределах городской территории. В модельном эксперименте анализировались тест-реакции лабораторных культур гид-робионтов разных таксономических групп. Реакция живых объектов не выразила четкой зависимости от времени года, однако имела прямую связь с качеством воды.

Ключевые слова: поверхностные воды, хроническая токсичность, тест-реакция.

N.A. Klimenko, O.A. Bedunkova

National University of Water Management and

Natural Resources (Rivne, Ukraine)

THE ANALYSIS OF THE TEST REACTIONS OF LABORATORY CULTURES OF HYDROBIONTS TO THE CHRONIC TOXICITY OF THE SURFACE WATER

Abstract. An assessment of the chronic toxicity of surface waters of the river within the urban area. In the model experiment analyzed test reaction laboratory cultures of different taxonomic groups of aquatic organisms. Reaction of living objects expressed no clear dependence on the time of year, however, had a direct connection to water quality.

Keywords: surface water, chronic toxicity, test-reaction.

ВВЕДЕНИЕ

Поступающие в поверхностные воды загрязнители различного происхождения вступают в реакции с присутствующими в воде химическими веществами, что часто вызывает аддитивность - простую сумму токсического эффекта, или синергизм - взаимное усиление токсического действия [1]. При этом программа постоянного мониторинга поверхностных вод ведется с помощью физико-химических методов анализа по

ограниченному списку ингредиентов и не включает большинство известных токсикантов, хотя в нормативных документах по контролю качества вод различного назначения официально признаны методы токсикологического биотестирования [2; 3]. Эффективность этих методов доказывают и большинство научных исследований диагностики и оценок токсичности поверхностных вод.

Постановка проблемы

Целью наших исследований была оценка показательности тест-реакций лабораторных культур гид-робионтов при биотестировании хронической токсичности городской реки для повышения информативности существующего мониторинга и разработки методов регулирования качества ее поверхностных вод.

За последние несколько лет в пробах воды, отбираемых из исследуемой малой реки Устье, не наблюдается превышение рыбохозяйственных ПДК для большинства гидрохимических показателей. Однако на участках водотока в пределах городской территории происходят периодические внезапные заморы рыбы, имеют место зарастание русла и признаки эвт-рофикации, которые сохраняются на определенных участках до зимнего периода. Можно предположить, что причиной замора являются спонтанные попадания в реку ряда загрязнителей как с поверхностным, так и с несанкционированным стоками. Их реакции с присутствующими в воде органическими веществами и вызывают негативный эффект.

Методика и условия проведения эксперимента

Тест-объектами для диагностики токсичности воды реки служили лабораторные культуры гидробионтов двух таксономических групп: макрофит Elodea canadensis и аквариумные рыбки Poecilia reticulata Peters. Их физиологические, морфометрические и цитологические показатели достаточно чувствительны к токсическим веществам и позволяют оценить эффект антропогенной нагрузки на гидроэкосистемы [1].

Оценивали воду реки Устье в черте города Ровно в трех створах: створ № 1 - 100 м ниже плотины Басов-кутского водохранилища; створ № 2 - у моста (центральный городской рынок); створ № 3 - расширенный участок реки возле кафе «La Riva».

Отбор воды реки осуществляли согласно стандартным методикам. Даты отбора приходились на осенне-зимний и весенне-летний периоды среднего по водности года.

Результаты изменений тест-объектов оценивали с помощью процентных долей в конце эксперимента по формуле [2; 3]:

L - L

L

■ 100

где Т - величина реакции; ^ - значение учетного параметра на начало эксперимента; Ьо - значение учетного параметра на конец эксперимента.

Модельные хронические эксперименты основывались на учете количества живых клеток и общего прироста побега лабораторной культуры Elodea canadensis, а также на оценке выживаемости Poecilia reticulata Peters в опытных пробах относительно контроля.

Экспериментальные емкости с вариантами опыта были размещены на дневном рассеянном свету в помещении при температуре 18-20°С. На 3 дм3 исследуемой воды размещали по три отсеченных верховых побега E. canadensis длиной 4 см. В отдельные емкости того же объема высаживались по 10 экз. P. reticulata одной возрастной группы, в трехкратной повторности для каждого из вариантов. Для обеспечения надлежащей аэрации осуществляли продувку с помощью микрокомпрессора.

Результаты исследований

Результаты экспериментов подвергали статистической обработке по стандартным методикам (таблица 1) [3; 4]. Критерием хронической токсичности считалось статистически значимая величина реакции при доверительной вероятности показателей 95% (по критерию Стьюдента) [4].

Анализ представленных результатов показывает, что значения тест-реакций в эксперименте относительно контрольных показателей оказались статистически значимы при уровне ошибки не более 5% (Р < 0,05). Расчетные коэффициенты достоверности (t ) во всех случаях превышали теоретическое значение коэффициента Стьюдента для числа степеней свободы пк+пд - 2 = 4 (^оер=2,776). Таким образом, есть все основания констатировать хроническую токсичность воды р. Устье в исследуемых точках. Это явление соответствует общему экологическому состоянию реки, которое в пределах города оценивается на уровне IV класса в зимний и IV-V классов в летний периоды.

Как дополнительный показатель при цитологических исследованиях в биоиндикации используют степень плазмолиза клеток [5]. Этот показатель может отражать цитологическую нестабильность раститель-

ных тест-объектов в результате действия токсичности водной среды. По нашим наблюдениям, изотонический (значительный) плазмолиз среди всех вариантов был в створе № 3, в створах № 2, № 1 и в контроле, степень плазмолиза была значительно меньше - гипертонический и местами вовсе отсутствует (рисунок 1).

Учитывая степень плазмолиза клеток тест-объекта можно утверждать, что наиболее неблагоприятной средой для элодея оказалась вода из створа № 3 - расширенный участок реки Устье возле кафе «La Riva ».

Обсуждение результатов

Результаты эксперимента показали, что токсические вещества, содержащиеся в исследуемой воде, вызывают как угнетение, так и стимулирование тест-реакций.

В частности, стимулирующий эффект прироста E. Canadensis имел место в осенне-зимний период во всех точках отбора воды, с максимальным значением 82,5% относительно контроля во втором варианте. В весенне-летний период стимулирующий эффект данной тест-реакции сохранился здесь на уровне 36,5% относительно контроля. В остальных случях тест-реакции имели угнетающее проявление.

Сравнение величин остальных тест-реакций относительно контроля показывает, что наибольшие отклонения были характерны для третьего варианта эксперимента в оба периода. Величины тест-реакций в первых двух вариантах колебались как по сезонам, так и в зависимости от природы тест-обьекта.

Так, в осенне-зимний период наиболее многочисленными оказались живые клетки E.canadensis в воде варианта № 2, что относительно контроля составило 8,1 %. В первом варианте угнетение реакции составило 19,15%, в третьем варианте - 33,3%. В весенне-летний период тест-реакция была практически на одном уровне в вариантах №1 и №2 - соответственно 15,9 и 15,7% относительно контроля. Наибольшее угнетение проявилось в третьем варианте - 50,2% относительно контроля.

Вариант Тест-реакции

Количество живых клеток в листках Elodea Canadensis,кл./1000 кл. Морфометрия побега Elodea Canadensis, см Выживаемость Poecilia reticulata Peters, шт.

М±m Относит. контроля, % tфакт М±m Относит. контроля , % tфакт М±m Относит. контроля, % tфакт

осенне-зимний период

К 966±13,7 - - 5,4±0,08 - - 10 - -

В-1 781±22,95 19,15 6,92 5,6±0,1 40,0 7,9 5,7±0,3 60 13,0

В-2 888±21,29 8,1 3,08 7,3±0,25 82,5 16,5 7±0,5 70 3,78

В-3 644±31,43 33,3 9,4 6,8±0,15 70,0 12,24 4±0,5 40 10,4

весенний период

К 968±5,1 - - 5,4±0,05 - - 10 - -

В-1 814±14,5 15,9 10 4,7±0,2 14,9 11,2 4±0,33 60 19,0

В-2 816±4,6 15,7 22,13 6,3±0,15 36,5 11,7 5±0,33 50 14,0

В-3 482±39,1 50,2 14,1 4,0±0,25 25,9 3,2 7±0,6 30 5,2

Таблица 1 - Результаты биотестирования хронической токсичности поверхностных вод реки в лабораторных условиях

Створ №3

Рисунок 1 - Вид клеток листков зоны наростания побега E. Canadensis в вариантах эксперимента

Выживаемость P. reticulata в оба периода была минимальной в варианте №3, причем наибольшее угнетение наблюдалось в весенне-летний период, что составило 30% относительно контроля. Вариант №1 имел одинаковые значения тест-реакции на уровне 60% выживаемости рыб. В варианте N°2 выживаемость

была выше в осенне-зимний период и составляла 70%, а в весенне-летний всего 50% относительно контроля.

Вообще интерпретация результатов токсикологических опытов довольно сложна, поэтому дать однозначную оценку изменения уровней хронической токсичности в разные сезоны по всем тест-реакциям практически невозможно. Проведенные исследования на лабораторных культурах в разные сезоны года дают основание утверждать, что такие тест-реакции, как количество живых клеток в листках E.Canadensis и выживаемость P. reticulata, имели большее угнетение в весенне-летний период в местах реки, которые испытывают большую антропогенную нагрузку (варианты №2 и №3). Исследуемая вода первого варианта имела несколько лучшие гидрохимические показатели и по таким тест-реакциям, как количество живых клеток в листках и прирост побегов E.Canadensis, проявляла большее угнетение в осенне-зимний период, а выживаемость P. reticulata оставалась неизменной.

Отметим, что качество поверхностных вод реки в исследуемых точках заметно отличается от своих характеристик в истоке, что, прежде всего, обусловлено сменой типа вод с гидрокарбонатного на хлоридно-гидрокарбонатный. Содержание хлоридов на исследуемом отрезке реки составляет в среднем 60-70 мг/дм3. До города вода имеет нейтральную реакцию (рН=7,4-8), а в пределах города меняется на слабощелочную (рН=8,48-8,62). Начиная со второй исследуемой точки, в воду реки с канализационным стоком поступают азотные соединения, и концентрации нитратов увеличиваются до 3,3-6,6 мг/дм3, что в два раза превышает их концентрацию в верхней части реки. Загрязнение воды реки в пределах городской территории, в первую очередь, обусловлено бытовыми стоками и в несколько меньшей степени промышленными. Особенно велико содержание в сточных водах нефтепродуктов (превышение ГДК в 14 раз), фенолов (19 раз), нитратов и некоторых тяжелых металлов: цинк (2,3 раза), свинец (2 раза), марганец (11 раз).

Полученные результаты биотестирования дали возможность оценить комбинированное взаимодействие веществ в пробах. Реакция живых объектов на антропогенное воздействие не выразила четкой зависимости от времени года, что, очевидно, есть следствие лабораторных «идеальных» условий биотестирования, где значительное влияние имеет температурный фактор. Однако установленная экспериментально степень токсичности поверхностных вод имела прямую связь с качеством воды в соответствующих вариантах эксперимента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Очевидно, что для более точного мониторинга качества поверхностных вод наряду с химическими анализами, которые констатируют факт присутствия или отсутствия каких-либо химических элементов в пробе, необходимо введение биологического тестирования. Правильный выбор тест-реакций позволит оценивать как прямое, так и косвенное влияние на живые объекты с учетом фоновых концентраций, что значительно расширяет практические исследования по со-

хранению естественных гидроэкосистем. Список литературы

1 Филенко О. Ф., Михеева И.В. Основы водной токсикологии. -

М. : Колос, 2007. - 144 с.

2 Временное методическое руководство по нормированию

уровней содержания химических веществ в донных отложениях поверхностных водных объектов (на примере нефти). - М. : РЭФИА, НИА - ПРИРОДА, 2001. -104 с.

3 Бютестування у природоохороннй практиц : зб1рник /

Техн1чний комтет з стандартизацТ ТК 82 «Охорона навколишнього природного середовища та рацюнальне використання ресурав УкраТни». Видання оф1ц1йне. -КиТв, 1997. - 240 с.

4 Ликеш И., Ляга И. Основные таблицы математической

статистики. - М. : Финансы и статистика, 1985. - 356 с.

5 ДСТУ 3959-2000 Охорона довклля та рацональне повод-

ження з ресурсами. Методики ботестування води. Настанови.

УДК 544. 344. 01 Д.Н. Камаев

Курганский государственный университет

РАСЧЁТ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ BEO-AL2O3

Аннотация. Выполнен расчет диаграммы состояния BeO-Al2O3 с использованием теорий регулярных и субрегулярных ионных растворов. Расчеты с использованием субрегулярной теории удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными.

Ключевые слова: термодинамическое моделирование, оксид бериллия, оксид алюминия.

D.N. Kamaev Kurgan State University

CALCULATION OF THE PHASE EQUILIBRIUMS IN THE SYSTEM OF BEO-AL2O3

Abstract. The calculations of the phase equilibriums in the system of BeO-Al2O3 have been carried out using

the theories of regular and subregular ionic solutions. Calculations using subregular theory agrees satisfactory with experimental data.

Keywords: thermodynamic modeling, beryllium oxide, aluminum oxide.

ВВЕДЕНИЕ

Диаграмма состояния системы BeO-Al2O3 имеет важное прикладное значение для получения специальных видов керамических материалов и профилированных монокристаллов александрита, которые применяются в качестве активных элементов перестраиваемых лазеров инфракрасного диапазона. Однако какие-либо сведения по термодинамике данной системы в литературных источниках отсутствуют.

В работе [1] в системе BeO-Al2O3 отмечается наличие двух химических соединений: BeOAl2O3, отвечающее природному хризобериллу, и BeO3Al2O3. При этом авторы исследования отмечали тот факт, что соединение BeO3Al2O3 плавится либо конгруэнтно, либо инконгруэнтно, и приводили два варианта состояния системы. В работе [2] было установлено существование соединения 3BeOAl2O3, которое плавится инконгруэнтно при температуре 1980 °C. Однако результаты проверочного исследования системы [3] установили конгруэнтное плавление BeO3Al2O3 и отсутствие каких-либо других соединений, кроме BeO Al2O3 и BeO3Al2O3 (рисунок 1). По данным авторов [3], в системе имеются три точки эвтектического превращения (таблица 1).

С учетом важности материалов, получаемых на основе данной системы, и в связи с отсутствием каких-либо данных по термодинамике, нами был выполнен термодинамический расчет диаграммы состояния данной системы.

РАСЧЕТ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

Расчет выполняли посредством моделирования диаграммы состояния данной системы с использованием моделей регулярных, субрегулярных ионных растворов. Справочные данные энтальпий плавления чистых компонентов были взяты из источника [4].

С позиций теории регулярных ионных растворов выражение химического потенциала для компонентов бинарной системы имеет вид:

ц; = цг0 + RT ln + (1 - )2 • 0

12'

Таблица 1 - Инвариантные точки системы BeO-Al2O3

Фазы Процесс Состав, мол. % Температура, °C

BeO АЬОз Экспериментальные данные [3]

BeO +расплав +ВеО^АЬОз эвтектика 57,6 42,4 1835

BeO^Al2O3 + расплав плавление 50 50 1870

ВеО^АЬОз+расплав + ВеОЗАЬОз эвтектика 40,1 59,9 1850

BeOr3Al2O3 + расплав плавление 25,1 74,9 1910

BeO^3Al2O3 +расплав + Al2O3 эвтектика 20,1 79,9 1890