CC BY
37
УДК 504.45:574.24 DOI: 10.24412/2071-6176-2022-3-61-70
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОРОХА ПОСЕВНОГО (PISUMSATIVUM)
И КРЕСС-САЛАТА (LEPIDIUMSATIVUM) ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ
Ю.Д. Комолова, Е.А. Ягольник, А.В. Хапкина
Рассмотрено использование метода биотестирования для оценки качества природных вод. Проведено исследование качества воды некоторых природных водоемов Тульской области. Тест-объектами при биотестировании исследуемых проб воды являлись семена гороха Pisum sativum и кресс-салата Lepidium тйуит.Отобраны и проанализированы пробы воды из природных источников Тульской области с разным уровнем загрязнения.
Ключевые слова: биотестирование, качество воды, природные воды, состояние окружающей среды, горох посевной, кресс-салат, тест-объекты.
Под биотестированием обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов [1]. Использование биологических методов тестирования для оценки загрязнения окружающей среды позволяет суммировать комплекс биологически важных данных и отразить состояние окружающей среде в целом. Биотестирование - наиболее точный, быстрый и дешёвый способ охраны природных вод, при постоянном техногенном влиянии живые индикаторы могут реагировать на очень небольшие количества вредных веществ по причине систематического накопления токсических соединений в тканях и органах [2 - 4].
В исследовании проведен анализ проб воды из различных источников Тульской области методом биотестированияпо прорастанию семян гороха посевного Pisum sativum и кресс-салата Lepidium sativum. Фитотоксичность водных сред оценивалась по степени ингибирования прорастания семян, роста их проростков и корешков, снижению энергии прорастания семян [5,6].
В настоящее время состав природных вод водоемов в значительной степени формируется под влиянием антропогенной нагрузки. Загрязнение поверхностных вод приобрело комплексный характер; в них могут присутствовать самые разнообразные химические вещества. На дне аккумулируется большое количество загрязняющих веществ разной природы: тяжелых металлов, органических веществ, нефтепродуктов. Из загрязняющих веществ по объему поступления прежде всего заслуживают
внимания тяжелые металлы, углеводороды нефти, полихлорированные бифенилы и полиароматические углеводороды.
В отличие от органических загрязняющих веществ металлы практически вечны, так как они не разрушаются при воздействии природных факторов. Все тяжелые металлы обладают общим свойством -могут быть биологически активными. Таким образом, попадая в результате антропогенной деятельности в окружающую среду в миграционно-активном состоянии, они включаются в какой-то степени в биологический круговорот, и при определенных биогеохимических условиях и концентрациях начинают оказывать токсическое действие на живые организмы [7].
Донные отложения водоемов являются активными накопителями металлов. Благодаря сорбционным процессам происходит самоочищение водоемов от соединений тяжелых металлов. Однако в определенных условиях не исключены процессы десорбции металлов и их переход в растворенном состоянии в толщу воды, т.е. донные отложения превращаются в источники вторичного загрязнения водных объектов [1].
Гидрофобная нефть образует тонкую пленку на поверхности воды, делая ее непригодной для использования. На открытых водных поверхностях с течением времени образуется эмульсионный слой «нефть -вода», который частично препятствует газообмену между водой и воздухом. Этот эффект приводит к тому, что все живые организмы, находящиеся под этой пленкой, постепенно задыхаются. При этом прежде всего при дыхании в клетках накапливается углекислый газ, что ведет к подкислению клеточной жидкости [8]. Нефть, содержащая 30-40 % ароматических углеводородов, значительно угнетает рост высших растений [9].
Речная сеть Тульской области принадлежит бассейнам рек Оки и Дон. Наиболее крупные реки области - Ока, Дон, Упа, Красивая Меча. Реки Непрядва, Рыхотка, Выпрейка, Скнига, Вашана, Черепетка, Плава относятся к малым рекам области. Питание рек смешанного типа -снеговое, дождевое, подземными водами - с преобладанием снегового с сильными разливами весной и низким уровнем летом. Поверхностные воды используются в хозяйственной деятельности, составляя основу водного баланса области. Источником регионального хозяйственно-бытового и питьевого водоснабжения являются подземные воды, объема которых в промышленно освоенных районах не хватает, а из-за интенсивной эксплуатации произошло понижение их уровня.
Отбор проб для исследования проводили в разных районах Тульской области с разным уровнем загрязнения (таблица). Тульская область является одной из самых высокоразвитых в промышленном и сельскохозяйственном отношении среди регионов России. К территориям области, имеющим наибольшее количество источников негативного
воздействия на окружающую среду, относятся г. Тула, Узловский, Ефремовский районы, территории Кимовского, Суворовского, Алексинского, Плавского районов. К территориям с наименьшим количеством источников негативного воздействия на окружающую среду относятся Куркинский и Заокский районы.
Объекты исследования
№ п/п Источник Город/район
1 Река Красивая Меча Ефремовский район (окрестности д. Шилово)
2 Река Дон Кимовский район (д. Татинки)
3 Река Непрядва Куркинский район (с. Михайловское)
4 Река Рыхотка Куркинский район (д. Грязновка)
5 Водоем Кондуки Узловский район (д. Романцево)
6 Река Упа город Тула (микрорайон Левобережный)
7 Река Выпрейка Заокский район
8 Река Скнига Заокский район
9 Река Вашана Алексинский район
10 Река Черепетка Суворовский район
11 Река Ока Суворовский район
12 Река Плава Плавский район (г. Плавск)
В работе проведен органолептический анализ исследуемых проб воды по показателям запаха (интенсивность и характер запаха), цветности и мутности проб с балльной оценкой выраженности признака.
Проведен анализ физико-химических параметров исследуемых проб по показателям - концентрация раствора (минерализация TDS) и кислотно-щелочной баланс (pH). Кислотность, общую минерализацию и жесткость исследуемых проб воды анализировали с использованием многопараметрового анализатора «HannaInstrumentsHI98129 Combo».
Определение содержания катионов и анионов в исследуемых пробах водыпроводилось методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель - 104Т».
Оценку токсичности исследуемых проб проводили методом биотестирования по прорастанию семян гороха Pisum sativum сорта «Овощной ранний» и кресс-салата Lepidium sativum сорта «Весенний». Для этого в чашки Петри (в трехкратной повторности) поместили ватный диск. В чашках диск смачивали 7 мл исследуемой пробы. В каждую чашку помещали по 10 семян.
Чашки накрывали крышками, инкубировали в течение 7 суток при комнатной температуре. Ежедневно оценивали количество проросших семян, измеряли длину проростков (корня, стебля).
Анализ органолептических показателей исследуемых проб показал, что большинство из них не имели запаха, но обладали цветностью, а некоторые и мутностью. Так, специфическим запахом обладали пробы воды из: р. Скнига - ярко-выраженный плесневый запах, р. Выпрейка -сильный землистый запах. Пробы воды из рек Дон, Красивая Меча и Черепетка имели слабожелтую окраску, образцы воды из рек Рыхотка, Упа и Выпрейка имели интенсивно желтую окраску, и при этом пробы их рек Рыхотка и Упа были прозрачными, проба из реки Выпрейкабыла очень мутной, а проба из реки Скнига отличалась коричневым цветом и особой мутностью.
Измерение кислотности исследуемых проб воды показало результаты: 10 из 12 исследуемых образцов имели слабощелочную среду, их водородный показатель находился в дипозоне 7,91 (р. Черепетка) - 8,33 (р. Ока). Проба воды, отобранная из водоема Кондуки имела слабокислую среду (рН=4,57), а образец из Упы был близок к нейтральной среде - 6,66.
Сравнение результатов анализа общей минерализации отобранных образцов воды показало, что среди анализируемых образцов к категории вод с низкой минерализацией(содержание минеральных солей в которых не превышает 200 мг/л) относятся пробы, отобранные в реках Выпрейка, Скнига, Черепетка, Вашана и Плава. Средняя степень минерализации характерна для образцов, количество растворенных солей в которых колеблется в пределах 200-500 мг/л,это вода из рек Рыхотка, Красивая Меча, Ока, Непрядва.Пробы, отобранные из рек Упа, Дон и водоема Кондуки, показали содержание минеральных солей 330 мг/л, 360 мг/л и 461 мг/л соответственно.
Природная вода, как правило, характеризуется повышенной жесткостью, что и отразилось в результате проведенного анализа. Среди анализируемых образцов мягкой (51 - 170 мг/л) считается вода, отобранная в реках Выпрейка (120 мг/л), Скнига (135мг/л) и Черепетка (149мг/л). Вода с концентрацией растворенных солей от 171 до 300 мг/л характеризуется, как ограниченно приемлемая жесткая вода. К данному уровню жесткости относятся пробы воды, отобранные в реках Вашана (197мг/л) и Плава (197мг/л). Среди анализируемых образцов к категории «вода высокой жесткости с большим количеством посторонних примесей» относятся пробы с концентрацией свыше 301 мг/л: реки Рыхотка (374 мг/л), Красивая Меча (380 мг/л), Ока (391 мг/л), Непрядва (399 мг/л). Сверхжесткой считается вода с концентрацией растворенных солей свыше 500 мг/л. Таким образом, непригодными для питья являются образцы, отобранные из рек Упа (589 мг/л), Дон (646 мг/л) и водоема Кондуки (834 мг/л).
Анализ проб воды на катионный состав показал, что доля ионов аммония, натрия и калия в исследуемых образцах воды находится в пределах нормы. Более высоким содержанием кальция (58,64 - 34,3 мг/л) отличаются пробы воды, отобранные из рек Дон, Вашана, Ока, Рыхотка, Непрядва и Красивая Меча. Это связано с близким залеганием к поверхности известняков, что является геологической особенностью Тульской области. Наиболее низкое содержание ионов Ca2+(24 - 27 мг/л) отмечено в пробах, отобранных из рек Выпрейка, Скнига и Черепетка, где известняки залегают глубже, так как они перекрыты суглинками. Также с залежами горных пород связана высокая доля магния в пробах из рек Непрядва (17,15 мг/л), Красивая Меча (17,03 мг/л), Плава (15,08 мг/л), Дон (14,03 мг/л), Рыхотка (11,91 мг/л) и Ока (11,07 мг/л), остальные образцы имеют низкие показатели - от 4,24 мг/л (р. Черепетка) до 6,42 мг/л (р. Вашана).
Наличие ионов Sr2+ в пробах, отобранных из рек Непрядва и Плава, также отражает природный фон Тульской области, который связан с близким залеганием к поверхности карбонатсодержащих горных пород, в частности известняка, с которыми обычно залегает стронций.
Результаты проведенных экспериментов на наличие анионов хлора Cl-, брома Br-, йода I- и сульфат-ионов SO24- в исследуемых пробах воды показало наличие анионов хлора в пробах, отобранных из рек Дон, Упа, Ока и водоема Кондуки. Сульфат-ионы были также обнаружены в пробах из рек Дон, Упа и водоема Кондуки.
Анионы йода в исследуемых образцах не были обнаружены. Отсутствие брома в исследуемых образцах связано с тем, что пресные воды отличаются, как правило, наиболее низкими количествами брома, колеблющимися от 0,001 до 0,2 мг/л, выбранная методика не подходит для такого детального исследования.
Биотестирование проб воды по прорастанию семян Pisum sativum и Lepidium sativum показало одинаково хорошее прорастание семян кресс-салата во всех отобранных пробах, а прорастание семян гороха снижается в пробах с наиболее низким содержанием комплекса ионов (рис.1).
Образцы воды из водоема Кондуки и рек Выпрейка, Скнига и Ва-шана снижали всхожесть семян Pisumsativum, отмечалось интенсивное «плесневение» уже на 3 день инкубации, что может быть связано с большим микробным загрязнением воды. Так, на пробе из Кондуков прорастало 56,6 %, на образце воды из реки Выпрейка 43,3 %, а на воде из рек Скнига и Вашана - 40 % и 36,6 % семян гороха соответственно. Пробы воды из рек Непрядва, Рыхотка, Ока и Красивая Меча благоприятно влияли на прорастание семян Pisumsativum - 90 % (Непрядва), 86,6 % (Рыхотка), 76,6% (Ока), 73,3% (Красивая Меча). Всхожесть семян гороха в остальных вариантах опыта не сильно отличалась и находилась в пределах 63,3-70 %.
а Горох "Овощной ранний"
о
0 Кресс-салат "Весенний"
1СО и н
5 80
6 7
ВАРИАНТ ОПЫТА
Рис. 1. Влияние исследуемых проб воды на количество проросших семян гороха сорта «Овощной ранний» и кресс-салата «Весенний» на 7-е сутки культивирования: 1 - р. Красивая Меча, 2 - р. Дон, 3 - р. Непрядва, 4 - р. Рыхотка, 5 - Кондуки, 6 - р. Упа, 7 - р. Выпрейка, 8 - р. Скнига, 9 - р. Вашана, 10 - р. Черепетка, 11 - р. Ока, 12 - р. Плава
Оценка интенсивности роста корня проростков гороха и кресс-салата на 7-е сутки инкубирования показала следующие результаты (рис.2).
s Горок "Овощной ранний" НКресс-салат"6есенний"
Рис. 2. Влияние исследуемых проб воды на длину корня проросших семян гороха сорта «Овощной ранний» и кресс-салата «Весенний» на 7-е сутки культивирования: 1- р. Красивая Меча, 2 - р. Дон, 3 - р. Непрядва, 4 - р. Рыхотка, 5 - Кондуки, 6 - р. Упа, 7 - р. Выпрейка, 8 - р. Скнига, 9 - р. Вашана, 10 - р. Черепетка, 11 - р. Ока, 12 - р. Плава
У проростков кресс-салата показатель длины корня варьирует в пределах 4-9 см, а у гороха параметры варьирования более существенные (от 2 до 7,5 см). Процесс торможения роста корня у гороха оказывали пробы воды, отобранные из рек Красивая Меча, Упа и Вашана. Наиболее низкие показатели 1,6±0,3 см отмечены у пробы, отобранной из реки Упа, что может быть связано с наличием комплекса антропогенных загрязнителей, таких как взвешенные вещества и тяжелые металлы (медь и цинк).
Следует отметить, что данные по показателям корня у проросших семян гороха отличались у пробы из Кондуков (5,5±0,2 см) и рек Черепетка (7,6±0,1 см) и Дон (6,8±0,1 см). А образцы, отобранные из рек Непрядва (9,2±0,2 см), Черепетка (8,1±0,1 см) и Рыхотка (7,8±0,1 см) оказали стимулирующий эффект на показатель длины корня кресс-салата.
Сравнение интенсивности роста стебля проростков гороха и кресс-салата на 7-е сутки инкубирования представлено на рис. 3.
7 ЕЭ Горох "Овощной ранний"
__0 Кресс-салат "Весенний"
Рис. 3. Влияние исследуемых проб воды на длину стебля проросших семян гороха сорта «Овощной ранний» и кресс-салата «Весенний» на 7-е сутки культивирования. 1 - р. Красивая Меча, 2 - р. Дон, 3 - р. Непрядва, 4 - р. Рыхотка, 5 - Кондуки, 6 - р. Упа, 7 - р. Выпрейка, 8 - р. Скнига, 9 - р. Вашана, 10 - р. Черепетка, 11 - р. Ока, 12 - р. Плава
Интенсивность роста стебля у проростков кресс-салата находится в пределах 4,5-6 см, а размеры стебля у гороха гораздо сильнее варьируют (от 0,5 до 4 см). Минимальные показатели длины стебля свойственны гороху, пророщенному на пробах, отобранных из рек Ока (0,3±0,25 см) и
Упа (0,6±0,3 см), что также следует объяснять наличием антропогенного загрязнения и комплекса веществ, включая тяжелые металлы и органические вещества [10]. Стимулирующий эффект оказали образцы из рек Скнига, где длина стебля проростка составила 3±0,1 см, Непрядва -3,4±0,3 см и Черепетка - 4±0,25 см.
У проростков кресс-салата исследуемый показатель в 5 из 12 анализируемых образцов воды находился в диапазоне 5±0,3 см (Рыхотка и Вашана) - 5,7±0,1 см (Упа). Менее значительное влияние на рост стебля проростков Lepidium sativum оказали пробы из рек Непрядва (3,2±0,2 см), Выпрейка (3,8±0,1 см), Скнига (4,1±0,2 см) и Красивая Меча (4,5±0,3 см). Наиболее высоких показаний достигли растения, пророщенные на образцах, отобранных из рек Дон (6±0,3 см), Черепетка (6,1±0,1 см) и Кондуков (6,5±0,3 см).
Таким образом, негативное воздействие на показатель длины как корня, так и стебля проростков гороха оказывала проба воды, отобранная из реки Упа, что связано с антропогенным загрязнением и наличием комплекса загрязнителей.
Итого, образцы, отобранные из рек Упа, Дон и водоема Кондуки отличаются высоким содержанием минеральных солей - их показатели в 1,5 раза превышают значения других образцов. К категории вод с низкой минерализацией относятся 5 из 12 исследуемых образцов (Выпрейка, Скнига, Вашана, Черепетка, Плава).Воды рек Красивая Меча, Непрядва, Рыхотка и Ока характеризуются средней степенью минерализации. Высокой жесткостью воды характеризуются 9 из 12 проб, которым свойственно повышенное содержание ионов кальция, магния и натрия. Пробы из рек Упа, Дон и водоема Кондуки отличаются высоким содержанием растворенных солей, наличием хлорид- и сульфат-анионов. Образцы из рек Выпрейка, Скнига и Черепетка характеризуются мягкой водой.
При биотестировании большинство проб не оказали значительного воздействия на прорастание семян гороха Pisum sativum и кресс-салата Lepidium sativum. Образцы воды из водоема Кондуки и рек Выпрейка, Скнига и Вашана снижали всхожесть семян гороха посевного. Негативное воздействие на показатель длины, как корня, так и стебля проростков гороха оказывала проба воды, отобранная из реки Упа.
Список литературы
1. Мелехова О.П., Сарапульцева Е.И. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. М.: Издательский центр «Академия», 2010. 288 с.
2. Постнов И.Е.,Туманов А.А. Биологический метод анализа: проблемы избирательности и чувствительности определения биологически
активных веществ // Журнал аналитической химии. 2000. Т.55, №2. С. 208211.
3. Применение физико-химических методов и биотестирования для системного анализа качества водных объектов в районах нефтедобычи / С.С. Беднаржевский [и др.] // Вестник новых медицинских технологий. 2008. Т. ХУ, № 3. С. 39.
4. Филенко О.Ф. Биологические методы в контроле качества окружающей среды // Экологические системы и приборы. 2007. № 6. С. 18-20.
5. ГОСТ 31869-2012. Вода. Методы определения содержания катионов (аммония, бария, калия, кальция, лития, магния, натрия, стронция) с использованием капиллярного электрофореза. Введ. 2014-0101. М.: Стандартинформ, 2019. 24 с.
6. ГОСТ 33061-2014. Методы испытаний химической продукции, представляющей опасность для окружающей среды. Наземные растения: Тест на всхожесть семян и развитие проростков. Введ. 2015-08-01. М.: Стандартинформ, 2015. 24 с.
7. Никаноров А.М. Гидрохимия: Учебник. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. 444 с.
8. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию / Пер. с нем. М.: Мир, 1997. 232 с.
9. Строганов Н.С. Токсическое загрязнение водоемов и деградация водных экосистем // Водная токсикология. М. ВИНИТИ, 1976. Т.3. С. 5-47.
10. Джамалов Р.Г., Никаноров А.М., Решетняк О.С., Сафронва Т.И. Воды бассейна Оки: химический состав и источники загрязнения // Вода и экология: проблемы и решения. 2017. С. 121-126.
Комолова Юлия Дмитриевна, студент ТулГУ, yulia.komolova@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Ягольник Елена Андреевна, канд. биол. наук, доцент, yea_88@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Хапкина Анна Владиславовна, канд. биол.наук, доцент, доцент, khapkina-av@ya.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет.
USING PEA (PISUM SATIVUM) AND CRESS (LEPIDIUMSATIVUM) TO ASSESS THE STATE OF NATURAL WATER IN THE TULA REGION
Yu.D. Komolova, E.A. Yagolnik, A.V. Khapkina
The use of the biotesting method for assessing the quality of natural waters is considered. A study of the water quality of some natural reservoirs in the Tula region was carried out. The test objects for biotesting of the studied water samples were the seeds of pea Pisum sativum and watercress Lepidium sativum. Water samples were taken and analyzed from nat-
ural sources of the Tula region with different levels of pollution.
Key words: biotesting, water quality, natural waters, state of the environment, common peas, watercress, test objects.
Komolova Yulia Dmitrievna, student of Tula State University, yulia.komolova@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yagolnik Elena Andreevna, candidate of biological sciences,associate professor,yea_88@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Khapkina Anna Vladislavovna, candidate of biological sciences, associate professor, khapkina-av@ya.ru, Tula, Tula State University.
