CC BY
11
УДК 581.192.546 ГРНТИ 34.27.49
Я.В. Саванина1, Е.Л. Барский1, И.А. Фомина2, Е.С. Лобакова1
Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова 2Департамент Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Центральному федеральному округу
МОНИТОРИНГ ЭВТРОФИКАЦИОННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ*
Рассматривается подход, позволяющий проводить мониторинг эвтрофикационных загрязнений водотоков с использованием диализных культур микроводорослей или цианобактерий. В качестве тест-параметра предлагаются pH и окислительно-восстановительный потенциал ^^ среды культивирования.
Ключевые слова: водная токсикология, эвтрофикация, биотестирование, микроводоросли, иммобилизованные культуры, рН, Е)1
MONITORING EUTROPHICATION POLLUTIONS USINGELECTROCHEMICAL INDICATORS
An approach is considered that allows monitoring of eutrophication pollution of watercourses using dialysis cultures of microalgae or cyanobacteria. As a test parameter, the pH and redox potential (Eh) of the culture medium are proposed.
Key words: aquatic toxicology, eutrophication, bioassay, microalgae, immobilized cultures, pH, Eh
Вода является одним из важнейших экономических ресурсов России. Постоянно возрастающий уровень антропогенного воздействия на водную среду приводит к ухудшению ее качества. Как правило, в городской среде к основным загрязнителям поверхностных вод по объему поступления и по потенциальной биологической и экологической опасности относятся тяжелые металлы, углеводороды и хлорорганические соединения (растворители, пестициды). Наряду с этим отмечается и повышенное содержание эвтрофикационных загрязнений, азота (аммоний, нитриты и нитраты) и фосфатов в почве и поверхностых водах, причем со значительной частью загрязнений не справляется и самооочистка водотока [1, 2].
Цель работы
Для токсикологического контроля сред с неопределенным или сложным составом, включая сточные и загрязненные природные воды, необходимо дополнить «химический» подход - использование нормативов ПДК (предельно допустимых концентрации в среде некоторого набора веществ) - биологическими методами. Одним из них является использование биотестов. К числу преимуществ биотестирования относятся оперативность и чувствительность [2,3]. В статье рассмотрены возможности подхода, объединяющего использование диффузионной культуры фито-планктонных организмов и методику биотестирования на основе измерения электрохимических показателей, рН и Е^ среды культивирования.
Материалы и методы
В качестве тест-объекта использовали культуру зеленой микроводоросли Desmodesmus sp. штамм 3Dp86E-1 из музея кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Культуру выращивали в стандартных условиях при интенсивности непрерывного освещения 100 Вт/м2, 20-250 на среде BG-11 [4].
Истощение культур и последующие токсикологические эксперименты проводили, как описано [5]. Для поддержания однородности популяций инокулят брали из пересеваемой культуры.
* Работа выполнена при поддержке НИР «Физико-химические основы молекулярной биоинженерии»
Ya.V. Savanina1, E.L. Barsky1, I.A. Fomina2, E.S. Lobakova1
1M.V. Lomonosov Moscow State University 2The Department of the Federal service for supervision in the field of environmental management in the Central Federal district
2
Введение
В лабораторных экспериментах использовали пластиковые бутыли объемом 0,5 и 2 л. Отбор проб проводился на р. Вяземка, притоке первого порядка р. Москвы, на основании данных. предоставленных отделением центра контроля качества воды АО Мосводоканал в 2018-2019 гг. (см. прил. табл. 1). Исследуемая зона, главным образом, жилая и рекреационная, с незначительным количеством хозяйственных объектов. Отбор проб производили в соответствии с общепринятыми методами [1].
Диализный мешок с тест-культурой помещали в сосуд с тестируемой средой и инкубировали в ллабораторных условиях при естественном освещении с отбором проб на 2-е и 5-е сут. В качестве контроля использовали дехлорированную водопроводную воду.
Определение химических соединений - аммония, нитратов и фосфатов проводили, соответственно по ПНД Ф 14.1:2:4.276-2013 (издание 2013 г.), ПНД Ф 14.1:2:4.132-98 (издание 2008 г.) и ПНД Ф 14.1:2:4.132-98 (издание 2008 г.) в лаборатории ИЦ факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.
Величины рН и Eh среды культивирования определяли с помощью электрометра фирмы Cole-Parmer при перемешивании пробы на магнитной мешалке. Для определения pH использовали комбинированный стеклянный электрод, для определения Eh среды использовали Pt-электрод, а в качестве электрода сравнения - Ag/AgCl (все электроды российского производства) [6].
Результаты и обсуждение
Фитопланктонные организмы в настоящее время широко используются для оценки состояния водных систем. Тест-объект выступает в роли прибора, выявляющего интегральный биологический эффект комплекса неблагоприятных экологических факторов, в том числе и химической природы. Для стандартизации физиологических откликов чаще всего используются альгологиче-ски чистые культуры одноклеточных зеленых водорослей. Распространенность в природе, высокая скорость размножения, чувствительность к неблагоприятным факторам среды делают эти микроорганизмы удобным объектом для биотестирования [2,3].
Физиологическое состояние отдельно взятой однородной популяции можно охарактеризовать как по набору стандартных измеряемых параметров, так называемых PAAP (provisional algal assay procedure) [7], так и с помощю динамических параметров среды культивирования, которые отражают метаболическую активность.
К числу преимуществ диализного метода относится возможность получения однородного материала для токсикологических исследований. Клетки тест-культуры отделены от внешнего объема среды мембраной с размерами пор, пропускающих соединения с определенной молекулярной массой. Особенности метода максимально проявляются при высоком соотношении поверхности и объема диализной мембраны: наиболее подходящая форма диализного мешка - удлиненный цилиндр, полностью погруженный в 5-10-кратный объем «внешней среды» [8]. В относительно небольшом объеме диализного мешка накапливается высокой плотности популяция «физиологически молодых», чувствительных к внешним воздействиям клеток, свободному прохождению молекул из «внешней» среды, включая токсиканты диализная мембрана не препятствует. Культуру в диализном мешке легко перемещать из одной среды в другую, при этом клетки в диализном мешке остаются в стерильных условиях [8].
При выборе наиболее чувствительных и оперативных тест-параметров мы остановились на электрохимических показателях - рН и Eh. Рост культур цианобактерий и микроводорослей сопровождается значительным (на 2-3 ед.) увеличением pH среды культивирования, что свидетельствует об уменьшении концентрации ионов водорода в 10 раз на каждую единицу pH.
Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) среды культивирования отражает соотношение окисленных и восстановленных соединений и существенно зависит от концентрации выделенных в среду тиоловых соединений. Высокий уровень тиоловых соединений в составе клеточных метаболитов приводит к снижению редокс-потенциала среды (на 100- 150 ед.) и может свидетельствовать об активной клеточной пролиферации либо о воздействиях, связанных с окислительным стрессом (тяжелые металлы и некоторые другие ксенобиотики) [6, 8].
По результатам предварительных исследований [9] для токсикологических экспериментов использовалась культура при переходе в стационарную фазу. В данном интервале рост культуры и зависимые от роста и фотосинтеза динамические параметры среды культивирования за период из-
Информационные технологии в науке, образовании и управлении мерений (2-5 сут) практически не изменяются, а клетки сохраняют чувствительность к внешним воздействиям и физиологическую активность.
Ингибирование роста, фотосинтеза, снижение содержания хлорофилла и выделение клетками низкомолекулярных соединений при адаптации к загрязненной среде, всегда сопровожаются значительными изменениями величины окислительно-восстановительного потенциала и в ряде случаев рН среды культивирования. В работах [5, 8] была продемонстрирована возможность использования даных показателей для оценки состояния культур цианобактерий и микроводорослей при токсическом воздействии.
Данные показатели, а также АР (измеренные в ИК-спектроскопии структурные характеристики клеток) существенно зависят от загрязнений водной среды. Влияние таких факторов, как начальная концентрация клеток тест-культуры, длительность инкубации и объем исследуемой среды в пределах, заданных условиями эксперимента, статистически не значимо [5, 9, 10].
Отбор проб проводился в весенне-летний период. В апреле-мае возрастает содержание питательных веществ, связанное с поверхностным смывом, затем увеличивается количество фитопланктона: рост численности диатомовых водорослей наблюдается главным образом в апреле и мае, а численность зеленых микроводорослей нарастает с мая по июль [9, 10]. Нарастающий фитопланктон поглощает значительную часть загрязнителей в водоеме. Данные, приведенные в табл. 1, отражают сложившуюся ситуацию в конкретном участке водоема: определенную комбинацию и концентрацию питательных/загрягняющих веществ в результате деятельности автохтонного фито-планктонного сообщества и его суммарного влияния на электрохимические характеристики среды. В табл. 2 приведены данные изменения Eh и рН среды, которые отражают изменения метаболической активности культуры Desmodesmus sp. Полученные результаты (табл.2) свидетельствуют об активном росте культуры и поглощении ею эвтрофикационных загрязнений (особенно нитратов и фосфатов).
Ранее было показано превышение содержания фосфатов в 1,5-2 раза при сравнении наиболее загрязненного и чистого участков р. Москвы (в течение года). Коэффиценты корреляции (с параметром АР) составляли: 0,62 (аммоний), 0,51 (нитраты) и 0,60 - фосфат. Приведенные значения больше 0,5, что свидетельствует о существенной корреляции между этими показателями [9, 10]. В настоящее время проводится статистическая обработка данных для создания методики предварительной экспресс-оценки уровня эвтрофикации.
Заключение
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты: Для предварительной оценки уровня эвтрофикационного загрязнения водотоков и их самоочистки могут использоваться электрохимические показатели как нативных проб, так и тест-культур. Ранее культура Desmodesmus sp. использовалась при оценке качества воды в полевых условиях [9]. Предлагаемый метод расширяет возможности для оценки уровня эвтрофикационного загрязнения водных объектов и позволяет оценить степень очистки водной среды микроводорослями от данного типа загрязнений.
Литература
1. Шлычкова В.В., Брызгало В.А., Хоружая Т.А., Назарова А.А. 1992. Организация и проведение режимных наблюдений за загрязнением поверхностных вод суши на сети Роскомгидромета: Методические указания. Охрана природы. Гидросфера. РД 52.24.309-92. - СПб.: Гидрометеоиздат, 67 с.
2. Ostroumov S.A. Inhibitory analysis of top-down control: New keys to studying eutrophication, algal blooms, and water self-purification // Hydrobiologia. 2002. 469:117-129; https://www.researchgate.net/publication/200587396
3. Филенко О.Ф., Михеева И.В. 2007. Основы водной токсикологии. - М.: Колос, 144 с.
4. Stanier R., Kunisawa R., Mandel M., Cohen-Bazire G. 1971. Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales) // Microbiology and Molecular Biology Reviews. Vol. 35. N 2. P. 171-205.
5. Барский Е.Л., Саванина Я.В., Фомина И.А., Лобакова Е.С. Оценка качества водной среды с использованием цианобактерий // Новые информационные технологии в медицине, биологии, "32 ИТНОУ. 2019. № 4.
фармакологии и экологии: Материалы XXIII Международн. конференции. 2015. - М.: ООО «Новые информационные технологии. С. 224-233.
6. Барский Е.Л., Лебедева А.Ф., Саванина Я.В. Изменения окислительно-восстановительного потенциала среды культивирования устойчивой к тяжелым металлам бактерии Pseudomonas diminuta: взаимосвязь с выделением из клеток металлотионеиноподобных белков // Вестник Московского университета. 1999. Серия 16. Биология. - М.: Изд-во Моск. ун-та. № 2. С. 11 - 15.
7. Shubert L.E. Algae as ecological indicators. - London: Academic press, 1984. P. 213-237.
8. Саванина Я.В., Лебедева А.Ф., Барский Е.Л.. Гусев М.В. Диализное культивирование циа-нобактерий // Вестн. Моск. Ун-та. 2008. Сер.: Биология. № 2. С. 16-25.
9. Саванина Я.В., Барский Е.Л., Фомина И.А., Лобакова Е.С. Биотестирование с использованием спектроскопии внутреннего отражения и биоиндикации // Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии: Материалы XXV Международн. Конференции. 2017. - М.: ООО «Новые информационные технологии», С. 105-114.
Ю.Фомина И.А., Саванина Я.В., Барский Е.Л., Панченко Л.А. Лобакова Е.С. Сравнительная оценка уровня загрязнения водотоков методом спектроскопии внутреннего отражения в ИК-диапазоне клеток диализной культуры цианобактерий и методами химического контроля // Проблемы региональной экологии. 2017. № 2. С. 22-26.
Сведения об авторах
Information about authors
Янина Вячеславовна Саванина
канд. биол. наук, науч. сотр. МГУ им. М.В. Ломоносова Росссия, Москва Эл. почта: v.savanin@gmail.com
Евгений Львович Барский
канд. биол. наук, вед. науч. сотр. МГУ им. М. В. Ломоносова Росссия, Москва Эл. почта: gene_b@mail.ru
Ирина Алексеевна Фомина
канд. биол. наук
Департамент Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Центральному федеральному округу Росссия, Москва
Эл. почта: irinafomina.net@mail.ru
Елена Сергеевна Лобакова
канд. биол. наук, проф. МГУ им. М. В. Ломоносова Росссия, Москва
Эл. почта: elena.lobakova@gmail.com
Yanina Viatcheslavovna Savanina
PhD, research fellow
M.V. LomonosovMoscow State University
Russia, Moscow
E-mail: v.savanin@gmail.com
Eugenij Livovitch Barsky
PhD, leading researcher M.V. Lomonosov Moscow State University Russia, Moscow E-mail: gene_b@mail.ru
Irina Alecseevna Fomina
PhD
Department of the Federal service for supervision of natural resources in the Central Federal district Russia, Moscow
E-mail: irinafomina.net@mail.ru
Elena Sergeevna Lobakova
DS, prof.
M.V. Lomonosov Moscow State University Russia, Moscow
E-mail: elena.lobakova@gmail.com
Приложения
Таблица 1. Гидрохимические показатели хозяйственно-бытовых сточных вод р. Вяземка
а) май 2019
Наименование nh4+ NO-,- PO43+ pH Eh
ПДК 0,5 40 0,2 7,41 +154
Выше очистных 0,28 3,31 0.075 7.98 +105
Ниже очистных 3,53 4,25 0.4 8.34 +129
ж/д мост 3,3 3,0 0,7 8,1 +118
Пешеходный мост 3,7 5,0 0,6 8,2 +133
Выпуск в р. Москву 2,2 5,0 0,6 8,2 +130
Информационные технологии в науке, образовании и управлении б) июнь 2019
Наименование nh4+ NO," PO43+ pH Eh
Контроль/ПДК 0,5 40 0,2 7,41 +154
Выше очистных 0,78 3,3 0,17 8,21 +144
Ниже очистных 0.92 5,7 0,7 8,2 +157
ж/д мост 3,6 3,0 0,8 8,0 +141
Пешеходный мост 4.0 1,2 0,6 8,0 +147
Выпуск в р. Москву 2.4 5 0,6 7,9 +146
Таблица 2. Гидрохимические показатели диализной культуры зеленой микроводоросли Desmodesmus sp. штамм 3Dp86E-1, и нкубируемой на пробах воды р. Вяземка (май 2019)
а) 2-е сутки
Наименование nh4+ NO," PO43+ pH Eh
Контроль/ПДК 0,5 40 0,2 7,41 +154
Выше очистных 0,33 1,08 1,07 7,2 +167
Ниже очистных 0,62 24,0 1,37 7,3 +170
ж/д мост 0,36 2,97 0,8 7,40 +165
Пешеходный мост 2,7 4,25 1,04 7,3 +180
Выпуск в р. Москву 1,8 3 0,4 7,69 +156
б) 5-е сутки
Наименование nh4+ NO," PO43+ pH Eh
Контроль/ПДК 0,5 40 0,2 7,41 +154
Выше очистных 0,54 <0,1 <0,1 8,0 +140
Ниже очистных 1,0 5,96 <0,1 8,1 +119
ж/д мост 1,92 <0,1 <0,1 7,6 +154
Пешеходный мост 0,84 1,86 <0,1 7,8 +159
Выпуск в р. Москву 0,93 <0,1 <0,1 7,72 +163
Примечания: содержание клеток зеленой микроводоросли в диализном мешке при засеве составляло 1,8104 кл/мл. Величины рН и Eh - 7,2 и 350 мВ соответственно.
УДК 658.314.7:330.115 В.В. Цыганов1, С.А. Савушкин1, В.А. Бородин2
ГРНТИ 50.01.75 1Институт проблем транспорта им. Н.С. Соломенко РАН
Экспериментального завода научного приборостроения РАН
МУЛЬТИМОДАЛЬНОСТЬ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ В ПРОСТРАНСТВЕННОМ РАЗВИТИИ
Пространственное развитие страны требует транспортной обустроенности и ввиду разнообразия условий в регионах - разнообразия видов транспорта. Мультимодальная транспортная система понимается как система, интегрирующая все виды транспорта на базе единых стандартов управления, планирования и функционирования.
Ключевые слова: мультимодальность, пространственное развитие, транспорт, система, интеллектуальный каталог, услуга, организация, управление, цифровая экономика
V.V. Tsyganov1, S.A. Savushkin1, V.A. Borodin2
department of N.S. Solomenko Institute of Transport Problems of RAS Experimental plant of scientific instrumentation of the RAS
MULTIMODALITY of TRANSPORT SYSTEMS in SPATIAL DEVELOPMENT
The spatial development of the country requires transport groundwork and, due to the variety of conditions in the regions, the diversity of modes of transport. A multimodal transport system is understood as a system that integrates all types of transport on the basis of common standards for management, planning and operation. Keywords: multimodality, spatial development, transport, system, intelligent catalog, service, organization, management, digital economy
