CC BY
61
УДК [628.394.6:595.324.2: 665.6]:639.2/.3
Г. П. Фомичева, Б. М. Насибулина, А. М. Камакин, И. В. Фёдорова
ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ DAPHNIA MAGNA, STRAUS ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ФРАКЦИЙ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Нефть и нефтепродукты - опаснейшие загрязнители водной среды. Они нарушают многие естественные процессы и взаимосвязи, меняют условия обитания водных организмов. Оценка степени загрязнения водной среды углеводородами осложняется тем, что каждая фракция нефтепродукта оказывает разную степень воздействия на водные организмы. Показано, что в ходе биотестирования на тест-объекте Daphnia magna, Straus летальная токсическая концентрация (ЛК50) тяжёлых масляных фракций (0,025 мг/дм3) и отхода нефтепродуктов (0,05 мг/дм3) определялась при концентрациях в 10 раз более низких, чем ЛК50 фракции дизельного топлива (0,25 мг/дм3) и в 100 раз более низких, чем ЛК50 легких бензиновых и керосиновых фракций (от 2,000 мг/дм3). Предел безвредных концентраций (БК10) растворённых и диспергированных в воде тяжёлых масляных фракций нефтепродуктов (0,012 мг/дм3) в 2 раза меньше, чем БК10 фракции дизельного топлива (0,025 мг/дм3) и в 20 раз меньше, чем БК10 лёгких бензиновых и керосиновых фракций нефтепродуктов (0,250 мг/дм3). Анализ результатов эксперимента подтвердил необходимость оценки степени загрязнения водной среды углеводородами не только по показателю массовой концентрации нефтепродуктов в водной среде, но и по показателю острой токсичности водной среды.
Ключевые слова: загрязнение водной среды, углеводороды, фракции нефтепродуктов, биотестирование, тест-организм, Daphnia magna, токсическое действие, безвредная концентрация, летальная концентрация.
Введение
Антропогенные загрязнения являются одним из главных факторов, оказывающих существенное негативное воздействие на водную среду. В частности, нефть и нефтепродукты - опаснейшие загрязнители водной среды. Аварийные разливы нефти и нефтепродуктов меняют условия обитания гидробионтов, тем самым нарушая многие естественные процессы и взаимосвязи. Из всего спектра нефтепродуктов наибольшую опасность представляют водорастворимые и диспергированные компоненты нефти [1-4].
Оценка степени загрязнения природной воды при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов осложняется некоторыми особенностями водной среды и неоднородностью загрязнителя, мешающими объективной оценке степени загрязнения только методом количественного химического анализа (КХА).
Во-первых, при равных показателях массовой концентрации нефтяные загрязнители, обладающие разным фракционным составом, оказывают разную степень токсического воздействия на живые организмы. По фракционному составу выделяют: бензиновые (лёгкие) фракции, керосиновые (средние) фракции, дизельные фракции, масляные (тяжёлые) фракции и мазут [5].
Во-вторых, нефтяные «пятна» обладают возможностью быстрого перемещения по акватории. Это обусловливает вероятность кратковременного контакта водных организмов с относительно большими концентрациями нефтепродуктов на очень больших территориях, что приводит к их последующей гибели уже в чистой воде. Это особенно характерно для зоопланктонных организмов. Так, при возрастании нефтяных загрязнений отмечается уменьшение численности и видового состава представителей отряда Cladocera (тип Crustacea), являющихся наиболее чуткими индикаторами загрязнения природной воды [1, 6].
Всё вышесказанное обусловливает необходимость изучения степени токсичности нефтепродуктов в воде не только методом КХА, но и методом биотестирования, позволяющим наиболее точно определить степень влияния загрязнителей непосредственно на живые организмы [7-9]. Целью исследования являлось изучение влияния токсичности различных фракций нефтепродуктов на физиологическую активность ракообразных (тип Crustacea) методом биотестирования. Для достижения цели решались следующие задачи: биотестирование нефтепродуктов различных фракций с серией разбавлений в культивационной воде; определение летальных
и безопасных доз загрязнителей; проведение сравнительного анализа результатов эксперимента с выявлением корреляционной зависимости между содержанием углеводородов различных фракций в водной среде и количественными, качественными проявлениями физиологических признаков у тест-организмов.
Материалы и методы исследования
Биотестирование проводили в контролируемых лабораторных условиях, что позволило исключить влияние других факторов внешней среды.
В качестве тест-объекта исследований был выбран вид Daphnia magna, Straus - представитель рода Daphnia, семейства Cladocera, отряда Cladocera Для данного вида характерен стандартный набор следующих морфологических признаков. Тело - овальной формы, сжатое с боков, нечетко сегментировано на головной, грудной и брюшной отделы, заключено в прозрачный панцирь; голова не отделена выемкой от туловища, вытянутый передний край головного щита образует рострум. Антенны расположены под рострумом, служат для скачкообразного перемещения в толще воды. Имеются в наличии створки с дорсальным килем и хвостовой иглой, дорсальный край постабдомена - с выемкой. Грудные ножки и кишечник расположены на вентральной стороне тела между створками панциря.
Биотестирование проводили на синхронизированной культуре дафнии (Daphnia magna, Straus) [8]. Каждую пробу и её разбавления ставили в трёх повторностях. Наблюдения за изменениями физиологического состояния тест-объекта в остром опыте и контроле проводили до истечения 96 часов. Для определения летальных и безвредных концентраций (ЛК и БК) применяли метод прямого подсчёта. В качестве поллютантов были использованы лёгкие или бензиновые фракции (бензин); средние или керосиновые фракции (керосин); дизельная фракция (дизельное топливо); тяжёлые или масляные фракции (машинное масло); нефтесодержащий отход с поверхности воды в месте аварийного разлива. Контроль качества оценки токсичности поллю-тантов в эксперименте проводили по определению чувствительности используемых тест-организмов к модельному эталонному токсиканту - калию двухромовокислому (K2Cr2O7). Диапазон концентраций модельного токсиканта, при действии которого в течение 24 часов гибнет 50 % дафний, составил 1,0-1,26 мг/дм3, что методически соответствует диапазону чувствительности тест-объекта (0,9-2,0 мг/дм3) нефтепродуктов [8].
Результаты исследований и их обсуждение
В научной литературе существуют различные точки зрения на то, какой именно метод определения токсичности водной среды наиболее точен и эффективен: КХА, биотестирование или иные методы [1, 3, 8]. Поскольку углеводородные загрязнители могут иметь различный фракционный состав, их токсичность, соответственно, может значительно (на один-два порядка) отличаться при одних и тех же количественных показателях содержания поллютантов. Следовательно, нельзя конкретно определить только по количественному содержанию нефтепродуктов в воде (т. е. методом КХА), какая концентрация нефтепродуктов в водной среде является безопасной или токсичной. Обязательно необходимо учитывать влияние углеводородов непосредственно на водные организмы (например, используя метод биотестирования). Результаты, полученные нами в ходе эксперимента, полностью это подтвердили.
Уже через 1 час после начала эксперимента ряд сходных физиологических изменений (кроме летального исхода) наблюдался у тест-организмов при разных концентрациях поллютан-тов (табл. 1).
Анализ результатов эксперимента свидетельствует о том, что реакция тест-организмов на присутствие в воде углеводородов неоднозначна. Наибольший токсический эффект у тест-объекта через 1 час после начала опыта вызвали машинное масло и дизельное топливо. Проявление физиологических отклонений (всплытие на поверхность воды, кружение на боку, отсутствие характерных скачкообразных движений, затрудненность дыхания, отсутствие активного питания) у 100 % тест-организмов наблюдалось уже при концентрации 0,05 мг/дм3 (загрязнитель - машинное масло) и 2 мг/дм3 (загрязнитель - дизельное топливо). В отличие от воздействия прочих фракций, бензиновые фракции при концентрации 2-4 мг/дм3 вызывали оседание тест-объекта на дно сосуда.
Таблица 1
Влияние содержания нефтепродуктов в пробах воды на физиологические признаки тест-объекта через 1 час после начала опыта
Физиологические изменения Содержание нефтепродуктов в пробах воды, мг/дм3
Бензин Керосин Отход нефтепродуктов Дизельное топливо Машинное масло
Всплытие на поверхность воды, кружение на боку у поверхности воды, антенны судорожно подергиваются или неподвижно прижаты к створкам раковины, отсутствие характерных скачкообразных движений 2,0-4,0 20,0 20,0 0,25 0,05
Залегание на дно сосуда, отсутствие характерных скачкообразных движений, редкие конвульсивные подергивания антенн, редкие поступательные движения с замиранием 4,0 - - - -
Движения грудных ножек прерывистые, створки раковины малоподвижны, дыхание затруднено 2,0 20,0 20,0 0,25 0,05
Отсутствие активного питания, кишечник не заполнен при наличии корма в воде 2,0 20,0 20,0 0,25 0,05
Активные скачкообразные передвижения в толще воды, движения створок равномерные, дыхание и питание без отклонений от нормы 0,25 4,0 4,0 0,05 0,025
Через 48 часов после начала эксперимента сходные физиологические характеристики у тест-организмов (в том числе летальный исход) наблюдались при разных концентрациях пол-лютантов в воде. Наибольший токсический эффект у тест-организмов вызвали машинное масло, отход нефтепродуктов и дизельное топливо. Проявление физиологических отклонений (всплытие на поверхность воды, кружение на боку, отсутствие характерных скачкообразных движений, затрудненность дыхания, отсутствие активного питания) у 100 % тест-организмов наблюдалось уже при концентрации машинного масла 0,025 мг/дм3; отхода нефтепродуктов 0,025 мг/дм3 и дизельного топлива 0,25 мг/дм3. При концентрации в пробах воды машинного масла 0,05 мг/дм3 и дизельного топлива 0,25 мг/дм3 (табл. 2) у тест-организмов был выявлен 50 %-ный летальный исход (ЛК50).
Таблица 2
Влияние содержания нефтепродуктов в пробах воды на физиологические признаки тест-объекта через 48 часов после начала опыта
Физиологические изменения Содержание нефтепродуктов в пробах воды, мг/дм3
Бензин Керосин Отход нефтепродуктов Дизельное топливо Машинное масло
Всплытие на поверхность воды, кружение на боку, антенны судорожно подергиваются или неподвижно прижаты к створкам раковины, отсутствие характерных скачкообразных движений, линька - 0,05 0,025 0,25 0,025
Движения грудных ножек прерывистые, створки раковины малоподвижны, дыхание затруднено, слабые поступательные движения с замиранием 2,0 0,05 0,025 0,25 0,025
Отсутствие активного питания, кишечник не заполнен при наличии корма в воде 2,0 0,05 0,025 0,25 0,025
Летальный исход 10 % Летальный исход 50 % Летальный исход 100 % 0,25 4,0 20,0 - 200 0,025 0,25 4,0 0,012 0,05 2,0
Активные скачкообразные передвижения в толще воды, движения створок равномерные, дыхание и питание без отклонений от нормы, летальный исход (> 10 %) не наблюдался 0,012 0,05 0,012 0,05 0,012
При увеличении времени экспозиции до 96 часов сходные физиологические изменения у тест-организмов также наблюдались при разных концентрациях загрязнителей в воде. На фоне общего увеличения летального исхода у выживших тест-организмов наблюдалась адаптация к воздействию поллютантов (табл. 3).
Таблица 3
Влияние содержания нефтепродуктов в пробах воды на физиологические признаки тест-объекта через 96 часов после начала опыта
Физиологические изменения Содержание нефтепродуктов в п робах воды, мг/дм3
Бензин Керосин Отход нефтепродуктов Дизельное топливо Машинное масло
Адаптация к воздействию поллютанта, восстановление двигательных функций организма, нормализация процессов дыхания, питания - - 0,025-20,0 - 0,025-0,05
Летальный исход 10 % Летальный исход 50 % Летальный исход 100 % 0,25 2,0 20,0 0,25 2,0 20,0 0,012 0,05 20,0 0,025 0,25 4,0 0,012 0,025 0,05
Активные скачкообразные передвижения в толще воды, движения створок равномерные, дыхание и питание без отклонений от нормы, летальный исход (> 10%) не наблюдался 0,05 0,05 0,012 0,012 0,012
Наибольший токсический эффект у тест-организмов через 96 часов от начала постановки опыта вызвали машинное масло, отход нефтепродуктов и дизельное топливо. При концентрации поллютантов в пробах воды 0,025; 0,05 и 0,25 мг/дм3 соответственно у тест-организмов был выявлен 50 %-ный летальный исход. По степени и характеру токсического влияния на Daphnia magna, Straus отход, отобранный с места аварийного разлива на водном объекте, занял среднее положение между тяжёлыми и лёгкими фракциями нефтепродуктов.
Вышеприведенные данные показали, что летальная токсическая концентрация (ЛК50) тяжёлых масляных фракций и отхода нефтепродуктов определялась при концентрациях в 10 раз более низких, чем ЛК50 фракции дизельного топлива и почти в 100 раз более низких, чем ЛК50 легких бензиновых и средних керосиновых фракций. Предел безвредных концентраций (БК10), растворённых и диспергированных в воде тяжёлых масляных фракций нефтепродуктов в 2 раза меньше, чем БК10 фракции дизельного топлива и в 20 раз меньше, чем БК10 лёгких бензиновых и средних керосиновых фракций нефтепродуктов.
Анализируя временную динамику физиологической активности тест-организмов, следует отметить, что на общем фоне увеличения смертности Daphnia magna, Straus в пробах с тяжёлыми масляными фракциями и в пробах с отходом нефтепродуктов с места аварийного разлива у выживших тест-организмов наблюдалась адаптация к присутствию загрязнителя. Это выражалось в восстановлении двигательных функций, дыхания и питания у 50 % из наблюдаемых тест-организмов при концентрации масляных фракций 0,025 мг/дм3 и у 40 % тест-организмов при концентрации нефтесодержащего отхода 0,05 мг/дм3.
Заключение
Анализ экспериментальных данных показал, что максимальное воздействие на тест-объект Daphnia magna, Straus оказали тяжёлые масляные фракции нефтепродуктов, несмотря на то, что в пробах с масляными фракциями у ряда наблюдаемых тест-организмов наблюдалась адаптация к присутствию поллютанта. Сходные физиологические изменения у дафний под воздействием различных фракций нефтепродуктов наблюдались при разных концентрациях загрязнителей в воде. Летальные токсические концентрации (ЛК50) тяжёлых масляных фракций и отхода нефтепродуктов определялись при концентрациях в 10 раз более низких, чем ЛК50 фракции дизельного топлива и в 100 раз более низких, чем ЛК50 легких бензиновых и средних керосиновых фракций. Предел безвредных концентраций (БКШ), растворённых и диспергированных в воде тяжёлых масляных фракций нефтепродуктов, в 2 раза меньше, чем БК10 фракции дизельного топлива и в 20 раз меньше, чем БК10 лёгких бензиновых и средних керосиновых фракций нефтепродуктов.
По степени и характеру токсического влияния на тест-объект отходы нефтепродуктов, отобранные с места аварийного разлива на водном объекте, заняли среднее положение между тяжёлыми и лёгкими фракциями нефтепродуктов.
В ходе биотестирования тест-объект Daphnia magna, Straus, представитель семейства Cladocera, проявил себя как чуткий индикатор загрязнения природной воды нефтепродуктами различных фракций и массовых концентраций.
В заключение следует подчеркнуть, что решение проблемы оценки степени загрязнения водной среды углеводородами должно быть комплексным, т. е. для взаимоисключения методических недостатков необходимо использовать оба метода - КХА и биотестирование.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Корпакова И. Г., Афанасьев Д. Ф., Цыбульский И. Е., Виноградов А. Ю., Сазыкина М. А., Чередни-ков С. Ю. О проблеме оценки токсичности компонентов среды методами биологического тестирования // Вопросы рыболовства. 2008. Т. 9, № 4 (36). С. 839-846.
2. Антонова Д. В. Анализ сорбентов, используемых при ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов // Сохранение биологических ресурсов Каспия. Междунар. науч.-практ. конф. (Астрахань, 18-19 сентября 2014 г.): материалы и докл. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2014. С. 112-118.
3. Ануфриев Д. П., Боронина Л. В. и др. Обеспечение экологической безопасности Волжско-Каспийского бассейна. Сохранение биологических ресурсов Каспия. Междунар. науч.-практ. конф. (Астрахань, 18-19 сентября 2014 г.): материалы и докл. Астрахань: Изд-во АГТУ, 2014. С. 118-123.
4. Черкашин С. А. Отдельные аспекты влияния углеводородов нефти на рыб и ракообразных // Вестник Дальневост. отд-ния Рос. акад. наук. 2005. № 3. С. 83-91.
5. URL: https//ru.m.wikipedia.org/wiki.
6. Дедков Ю. М., Насибулина Б. М., Колесниченко А. М. Влияние нефтяных углеводородов на водную экосистему // Вестн. Моск. гос. обл. ун-та. Сер.: Естественные науки. 2006. № 2. С. 120-123.
7. Алимов А. Ф., Бульон В. В., Гутельмахер Б. Л., Иванова М. Б. Применение биологических и экологических показателей для определения степени загрязнения природных вод // Водные ресурсы. 1979. № 5. С. 137-141.
8. ФР.1.39.2007.03222. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний. М.: Акварос, 2007. 52 с.
9. Жмур Н. С. Государственный и производственный контроль токсичности вод методами биотестирования в России. М.: Междунар. дом сотрудничества, 1997. 117 с.
Статья поступила в редакцию 7.12.2016
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Фомичева Галина Петровна — Россия, 414000, Астрахань; филиал Центра лабораторного анализа и технических измерений по Южному федеральному округу - Центр лабораторного анализа и технических измерений по Астраханской области; ведущий инженер химико-аналитического отдела; [email protected].
Насибулина Ботагоз Мурасовна — Россия, 414000, Астрахань; Астраханский государственный университет; д-р биол. наук, доцент; профессор кафедры экологии, природопользования, землеустройства и безопасности жизнедеятельности; [email protected].
Камакин Андрей Михайлович - Россия, 414056, Астрахань; Каспийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства; старший научный сотрудник лаборатории морских рыб; [email protected].
Фёдорова Ирина Вячеславовна - Россия, 414000, Астрахань; Филиал Центра лабораторного анализа и технических измерений по Южному федеральному округу - Центр лабораторного анализа и технических измерений по Астраханской области; менеджер по качеству; [email protected].
G. P. Fomicheva, B. M. Nasibulina, A. M. Kamakin, I. V. Fyodorova
CHANGE OF PHISIOLOGICAL ACTIVITI OF DAPHNIA MAGNA, STRAUS UNDER THE INFLUENCE OF DIFFERENT FACTIONS OF OIL PRODUCTS
Abstract. Petroleum and its products are very dangerous pollutants for the aquatic environment. They damage many natural processes and relationships, change the habitat of aquatic organisms. Assessment of the degree of water pollution by hydrocarbons is complicated by the fact that each oil fraction has a different degree of impact on aquatic organisms. The article shows that in course of bioassay test on Daphnia magna, Straus lethal toxic concentration (LC50) of heavy oil fractions (0.025 mg/dm3) and waste oil products (0.05 mg/dm3) were determined at concentrations 10 times lower than LC50 diesel fraction (0.25 mg/dm3) and 100 times lower than the LC50 of light gasoline and kerosene fractions (from 2.000 mg/dm3). Limited harmless concentrations (BK10), dissolved and dispersed in water of heavy lube oil (0.012 mg/dm3) are 2 times lower than BK10 fraction of diesel fuel (0.025 mg/dm3) and 20 times lower than BK10 light petrol and kerosene petroleum fractions (0.250 mg/dm3). Analysis of the test results proved the need to assess hydrocarbon pollution not only in terms of oil concentration in an aqueous medium, but also in terms of the acute aquatic toxicity.
Key words: water pollution, hydrocarbons, fractions of petroleum products, bioassay, test organism, Daphnia magna, toxic effect, harmless concentration, lethal concentration.
REFERENCES
1. Korpakova I. G., Afanas'ev D. F., Tsybul'skii I. E., Vinogradov A. Iu., Sazykina M. A., Cherednikov S. Iu.
0 probleme otsenki toksichnosti komponentov sredy metodami biologicheskogo testirovaniia [To the problem of assessment of toxic components in the environment using biological testing methods]. Voprosy rybolovstva, 2008, vol. 9, no. 4 (36), pp. 839-846.
2. Antonova D. V. Analiz sorbentov, ispol'zuemykh pri likvidatsii razlivov nefti i nefteproduktov [Analysis of sorbents used to outflow oil spills]. Sokhranenie biologicheskikh resursov Kaspiia. Mezhdunarodnaia nauchno-prakticheskaia konferentsiia (Astrakhan', 18-19 sentiabria 2014 g.): materialy i doklady. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2014. P. 112-118.
3. Anufriev D. P., Boronina L. V. i dr. Obespechenie ekologicheskoi bezopasnosti Volzhsko-Kaspiiskogo basseina [Environmental security in the Volga-Caspian basin]. Sokhranenie biologicheskikh resursov Kaspiia. Mezhdunarodnaia nauchno-prakticheskaia konferentsiia (Astrakhan', 18-19 sentiabria 2014 g.): materialy
1 doklady. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2014. P. 118-123.
4. Cherkashin S. A. Otdel'nye aspekty vliianiia uglevodorodov nefti na ryb i rakoobraznykh [Some aspects of hydrocarbon influence on fish and crustaceous]. Vestnik Dal'nevostochnogo otdeleniia Rossiiskoi akademii nauk, 2005, no. 3, pp. 83-91.
5. Available at: https//ru.m.wikipedia.org/wiki.
6. Dedkov Iu. M., Nasibulina B. M., Kolesnichenko A. M. Vliianie neftianykh uglevodorodov na vodnuiu ekosistemu [The influence of hydrocarbons on aqueous ecosystem]. Vestnik Moskovskogo oblastnogo universiteta. Seriia: Estestvennye nauki. 2006, no. 2, pp. 120-123.
7. Alimov A. F., Bul'on V. V., Gutel'makher B. L., Ivanova M. B. Primenenie biologicheskikh i ekologicheskikh pokazatelei dlia opredeleniia stepeni zagriazneniia prirodnykh vod [The use of biological and ecological characteristics to determine the degree of natural water pollution]. Vodnye resursy, 1979, no. 5, pp. 137-141.
8. FR.1.39.2007.03222. Metodika opredeleniia toksichnosti vody i vodnykh vytiazhek iz pochv, osadkov stochnykh vod, otkhodov po smertnosti i izmeneniiu plodovitosti dafnii [Techniques for determining toxicity of water and water extracts from soils, discharged water precipitations, wastes according to death rate and fertility of Daphnias]. Moscow, Akvaros Publ., 2007. 52 p.
9. Zhmur N. S. Gosudarstvennyi i proizvodstvennyi kontrol' toksichnosti vod metodami biotestirovaniia v Rossii [State and industrial control of water toxicity by methods of biological testing in Russia]. Moscow, Mezhdunarodnyi dom sotrudnichestva, 1997. 117 p.
The article submitted to the editors 7.12.2016
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Fomicheva Galina Petrovna — Russia, 414000, Astrakhan; Branch of the Center of Laboratory Analysis and Technical Measurements in Southern Federal District - Center of Laboratory Analysis and Technical Measurements in the Astrakhan region; Leading Engineer of the Chemical and Analytical Department; [email protected].
Nasibulina Botagoz Murasovna — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State University; Doctor of Biology, Assistant Professor; Professor of the Department of Ecology, Environmental Management, Land Management and Vital Activity Safety; [email protected].
Kamakin Andrey Mikhailovich — Russia, 414056, Astrakhan; Caspian Scientific Research Institute of Fisheries; Senior Researcher of the Laboratory of Sea Fishes; [email protected].
Fyodorova Irina Vyacheslavovna — Russia, 414000, Astrakhan; Branch of the Center of Laboratory Analysis and Technical Measurements in Southern Federal District - Center of Laboratory Analysis and Technical Measurements in the Astrakhan region, Quality Control Manager; [email protected].
