CC BY
85
26 Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области №4 (11) Т.1 2015
УДК 504.43:614.777 ББК 26.35-51.23-24.124
ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ БИОТЕСТИРОВАНИЯ НА ИНФУЗОРИЯХ
Э.П. ПАРХОМОВИЧ, ФГБОУВПО "ЧелГУ", г. Челябинск, Россия Д.Ю. НОХРИН, ФГБОУ ВПО "ЧелГУ", г. Челябинск, Россия,
Уральский филиал ФГБНУ "ВНИИВСГЭ", г. Челябинск, Россия М.Ю. БАЛАШОВ, ООО "Экспертный центр санитарно-экологического соответствия",
г. Челябинск, Россия
И.А. САВИН, ООО "Экспертный центр санитарно-экологического соответствия",
г. Челябинск, Россия, e-mail: nokhrin8@mail.ru
Аннотация
С использованием прибора "Биотестер-2" и культуры инфузорий Paramecium caudatum проведена экспресс-оценка токсичности 69 проб подземных вод, отобранных из скважин на территории г. Челябинска и Челябинской области. Токсичность 33,3% проб соответствовала категории "допустимая", 14,5% - "умеренная" и 52,2% - "высокая". Среднее значение индекса токсичности Т составило 0,39 (95% ДИ: 0,20-0,58). С использованием статистических методов установлено снижение Т с ростом в воде концентрации калия и увеличение Т с ростом концентрации кремния. Токсичность кремния для инфузорий подтверждена в лабораторном эксперименте. По результатам биотестирования кремний токсичен в концентрациях 7,6-17,5 мг/дм3, что близко к нормативу для питьевых вод.
Ключевые слова: подземные воды, биотестирование, инфузории, токсичность, кремний.
Актуальность. Проблема обеспечения населения качественной питьевой водой актуальна для Челябинской области. Непосредственно в областном центре она ощущается менее остро благодаря централизованному водоснабжению г. Челябинска очищенной водой Шершневского водохранилища (р. Миасс). Однако в многочисленных деревнях, садовых
товариществах и быстро растущих загородных коттеджных посёлках проблема водоснабжения решается преимущественно бурением скважин. Безопасность и качество подземных вод, используемых частным сектором в питьевых целях, нуждается в оценке.
Интегральным и удобным показателем безопасности воды является её токсичность, оцененная в ходе биотестирования на модельных организмах. Одним из таких методов является приборное биотестирование на инфузориях с использованием измерения реакции хемотаксиса -способности избегать ими неблагоприятных концентраций химических веществ в окружающей среде. Данный метод сочетает в себе точность и удобство аппаратных исследовательских методов с высокой чувствительностью, свойственной живым объектам [3]. Поскольку по своим
биохимическим параметрам инфузории близки к высшим животным и человеку, результаты экспресс-оценки токсичности воды могут быть экстраполированы на человека [2].
Цель данной работы заключалась в оценке токсичности подземных вод г. Челябинска и Челябинской области по результатам биотестирования на инфузориях Paramecium caudatum и поиске связи между токсичностью и химическим составом воды.
Материал и методы. Материалом для исследования послужили 69 образцов подземной воды, отобранных на территории г. Челябинска и Челябинской области и поступивших на анализ химического состава и качества в Аналитическую лабораторию ООО "Экспертный центр СЭС" в 2014-2015 гг. Глубина колодцев и скважин варьировала от 7 до 135 м и составила в среднем 36 м, при медиане (квартилях) - 30 (25-46) м.
Оценку токсичности проб проводили на импульсном фотометре "Биотестер-2" (ЦНТТМ "Квант", Санкт-Петербург, Россия) с использованием в качестве тест-объекта культуры инфузории-туфельки P. caudatum
Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области №4 (11) Т.1 2015 27
согласно методике [5]. Пробы анализировали в случайном порядке; для каждой пробы снимали по 9 показаний прибора (3 показания х 3 повторности). В качестве контроля использовалась отстоянная и прокипяченная водопроводная вода.
Для подтверждения токсичности кремния был проведен эксперимент с искусственным введением в контрольную воду кремния в концентрациях: 5, 10, 20 и 40 мг/дм3. В качестве его источника использовали ГСО 8934-2008 массовой концентрации кремния в растворе силиката натрия (ООО "Экохим").
В ходе статистической обработки данных рассчитывали средние значения индекса токсичности Т с 95%-ным доверительным интервалом (95% ДИ), вычисленным методом бутстрепа (ВСа, «= 10000), и относительные частоты проб трёх категорий токсичности с 95% ДИ, вычисленным по Клопперу - Пирсону. При поиске связей между токсичностью и
показателями химического состава пробы применяли корреляционный анализ по Спирмену, множественный регрессионный анализ и
построение дерева решений по алгоритму CART (Classification And Regression Tree). Во всех случаях обнаруженные эффекты считали статистически значимыми при р<0,05. Расчеты и графические построения выполнены в пакетах: PAST (v. 3.08), Statistica (v.8.0; Statsoft Inc.) и KyPlot (v.2.15).
Результаты и обсуждение.
1. Экспресс-оценка токсичности вод. Результаты биотестирования проб воды из
колодцев и скважин представлены в табл. 1 и на рис. 1-2.
Таблица 1
Индекс токсичности Т подземных вод Челябинской области (n=69)___________________
Показатели Значение
Минимум-максимум -2,7 - 1,0
Среднее (95% ДИ) 0,39 (0,20 - 0,58)
Медиана (квартили) 0,74 (0,29 - 0,88)
11 проб (15,9%) имели отрицательные значения Т, что указывает на более высокую привлекательность такой воды для инфузорий по сравнению с контрольной пробой. Одна проба имела максимальный Т равный 1. Остальные пробы расположились между 0 и 1 образуя распределение с отрицательной асимметрией (рис.1).
Согласно методике, пробы с Т < 0,40 следует отнести к категории допустимой, с 40 < Т < 0,40 -умеренной, и > 70 - высокой токсичности [5].
35
3 -2-10 1
Индекс токсичности, у.е.
Рис. 1. Гистограмма распределения проб по величине индекса токсичности
Как видно из рис. 2, по такой классификации только треть проб имела допустимый уровень токсичности, тогда как более половины - высокий. Таким образом, в целом, качество подземных вод по результатам биотестирования следует признать низким.
Рис. 2. Распределение проб по категориям токсичности: относительная частота (95%
ДИ)
2. Связь между токсичностью и химическим составом воды. Поскольку 68 из 69 проб имели известный химический состав по 25 наиболее важным в гидрохимическом и санитарном отношении показателям, на втором этапе был проведен поиск связи между токсичностью и химическим составом. Для этого
28 Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области №4 (11) Т.1 2015
использовали три подхода. Сначала была рассчитана ранговая корреляции Спирмена между индексом Т и отдельными показателями состава и качества воды.
Таблица 2.
Коэффициенты корреляции Спирмена rs между индексом токсичности и показателем состава и качества воды (n=68).___________________
Показатели rs р
Общие
Вкус -0,040 0,745
рН 0,014 0,907
Жесткость 0,138 0,327
Запах при 200С -0,067 0,586
Запах при 600С -0,067 0,586
Минерализация 0,044 0,720
Электропроводность 0,070 0,569
Мутность -0,193 0,115
Цветность -0,002 0,987
Щёлочность -0,106 0,390
Главные ионы
Гидрокарбонаты -0,106 0,388
Калий -0,299 0,013
Кальций 0,041 0,737
Магний -0,006 0,958
Натрий 0,019 0,878
Сульфаты -0,025 0,841
Хлориды 0,022 0,855
Биогенное и органическое вещество
Аммония ион -0,050 0,687
Нитраты 0,120 0,329
Нитриты -0,261 0,109
Окисляемость 0,036 0,772
Микроэлементы и тяжёлые металлы
Железо 0,035 0,775
Кремний 0,179 0,143
Марганец 0,060 0,652
Стронций 0,069 0,576
Видно, что единственная статистически значимая связь была обнаружена для калия, но она была отрицательна, т.е. чем выше была концентрация калия в пробе, тем ниже была её токсичность. Близкие к значимым корреляции наблюдались для мутности, нитритов и кремния.
Таким образом, анализ по отдельным показателям оказался малоэффективным, поэтому далее мы попытались оценить влияние на токсичность сочетания показателей. Для этого был использован множественный регрессионный анализ, который был проведен пошаговой техникой. Для нормализации распределения отклика все величины индекса Т предварительно преобразовали по Боксу-Коксу.
Множественная регрессия была статистически
значима (F(6; 60)=6,40; p<0,001) и на 39% объясняла токсичность всего шестью показателями состава (R2=0,39). Как видно из табл. 3, калий, сульфаты и гидрокарбонаты значимо снижали Т, а кремний - значимо увеличивал его. Небольшой положительный вклад в Т нитратов и иона аммония не был статистически значимым в итоговом наборе регрессоров. Таким образом, в оценке сочетанного влияния химических показателей состава пробы на токсичность единственным статистически значимым токсикантом оказался кремний.
Таблица 3.
Параметры множественной регрессии для зависимости индекса токсичности от
химического состава воды (n=68).
Показатели Коэффициент регрессии Р
Константа 16,463 < 0,001
Калий -0,210 < 0,001
Сульфаты -0,011 0,005
Кремний 0,385 0,027
Гидрокарбонаты -0,008 0,033
Нитраты 0,017 0,161
Аммония ион 0,567 0,284
Последним способом поиска связи был метод построения дерева решений. Эта техника из группы методов "добычи данных" имеет преимущество перед регрессионным анализом в случае сложной нелинейной зависимости или в более запутанных ситуациях, например, если для разных типов вод токсичность определяется разным набором показателей.
Как видно из рис. 3, в построенном программой дереве решений на первом месте оказался кальций. Если его концентрация была больше 285,8 мг/дм3, то Т был отрицательным, а если меньше -положительным. На втором и третьем местах шли калий и натрий с таким же отрицательным влиянием на индекс токсичности. На четвёртом ветвлении находился кремний. При его концентрации в пробах по 7,55 мг/дм3 пробы имели токсичность в среднем T=0,39, т.е. "допустимую". При концентрации выше 7,55 мг/дм3 токсичность была "высокой": T=0,76. Далее ветвление шло по водородному показателю и минерализации.
Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области №4 (11) Т.1 2015 29
Рис. 3. Дерево решений зависимости индекса токсичности от химического состава подземных вод. Красный цвет - увеличение токсичности на ветвлении, зелёный - уменьшение
Таким образом, все три метода показали отрицательную связь калия с токсичностью, а два метода обнаружили токсичность кремния.
3. Токсичность кремния в эксперименте. Положительная хемотаксическая реакция инфузории-туфельки к слабым растворам солей и кислот известна более века и была подробно изучена ещё Дженнингсом и Робертсоном [8, 9]. Поэтому отрицательную связь токсичности с калием, кальцием, натрием, сульфатами и гидрокарбонатами объяснить просто. Более сложно объяснить факт токсичности для инфузорий кремния. Поэтому было решено подтвердить обнаруженную на природных подземных водах закономерность в ходе лабораторного эксперимента с искусственным введением в контрольную воду кремния. Его результаты представлены на рис. 4.
Видно, что зависимость токсичности от концентрации кремния имела нелинейный характер: сначала она снижалась, а после 5 мг/дм3 - увеличивалась вплоть до Т=0,995 при 40 мг/дм3 кремния.
Рис. 4. Токсичность кремния в эксперименте
Согласно этому графику пороговое значение "допустимой" токсичности Т=0,40 будет превышено при концентрации кремния в воде
30 Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области №4 (11) Т.1 2015
около 17,5 мг/дм3.
Таким образом, кремний проявил токсичность для инфузорий как в природных подземных водах, так и в эксперименте. Причём токсичные концентрации этого элемента в натурных и экспериментальных условиях оказались достаточно близки: 7,55 мг/дм3 по дереву решений и 17,5 мг/дм3 по эксперименту, при среднем - 12,5 мг/дм3. Это среднее значение практически совпало со значением 10,0 мг/л, которое используется в качестве предельно-допустимой концентрации кремния в питьевой воде согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 [4] и ГН 2.1.5.1315-03 [1]. Важно отметить, что зарубежными руководящими документами (директивы ВОЗ, USEPA, ЕС) содержание кремния в питьевой воде не нормируется, что связано с отсутствием однозначных данных о токсичности данного элемента и его негативном влиянии на
организм человека. Результаты нашей работы указывают на то, что по крайней мере на уровне хемотаксической реакции инфузорий кремний проявляет токсичные свойства в концентрациях, близких к отечественному нормативу.
Выводы. Результаты биотестирования подземных вод Челябинской области указывают в целом на низкое её качество: только 33,3% проб относилось к категории допустимой токсичности, тогда как доля проб умеренной и высокой токсичности составила, соответственно, 14,5% и 52,2%. Из изученных показателей химического состава воды положительная связь с токсичностью была установлена только для кремния, что далее было подтверждено в эксперименте. Установлено, что кремний токсичен для инфузорий в концентрациях около 12,5 мг/дм3, что близко к нормативу для питьевых вод.
Список литературы
1. ГН 2.1.5.1315-03 "Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования". М.: Минздрав России, 2003. 94 с.
2. Ивашкин В.Т., Минасян Г.А., Уголев А.М. Теория функциональных блоков и проблемы клинической медицины. Л.: "Наука", 1990. 303 с.
3. Пожаров А.В., Шелемотов С.А. Использование экспресс-биотестирования для оценки антропоэкологической ситуации // Экология. 1992. № 2. С. 94-95.
4. СанПиН 2.1.4.1074-01 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества". М.: Минздрав России, 2002. 62 с.
5. ФР.1.31.2005.01881. Методика определения токсичности проб природных, питьевых, хозяйственно-питьевых, хозяйственно-бытовых сточных, очищенных сточных, сточных вод экспресс-методом с применением прибора "Биотестер" (редакция 2010 г.). ООО "Спектр-М", 2010. 21 c.
6. Jennings H.S. Studies on reactions to stimuli in unicellular organisms. I. Reactions to chemical, osmotic and mechanical stimuli in the ciliate infusoria // J. Physiol..1897. V. 21, № 4-5. P. 258-322. (URL: http://jp.physoc.org/content/21/4-5/258.long)
7. Robertson T.B. Investigation on the reactions of Infusoria to chemical and osmotic stimuli // J. Biol. Chem.. 1906. № 1. P. 185-202. (URL: http://www.jbc.org/content/1/2/185.full.pdf)
ASSESSMENT OF TOXICITY OF GROUNDWATERS IN CHELYABINSK REGION ON THE
RESULTS OF INFUSORIA BIOTESTING
E.P. PARKHOMOVICH, ChelSU, Chelyabinsk, Russia D.YU. NOKHRIN, ChelSU, Chelyabinsk, Russia, Ural Branch of All-Russia Research Institute of Veterinary Sanitary, Hygiene, and Ecology, Chelyabinsk, Russia M.YU. BALASHOV, LLC “Expert center of sanitary and environmental standards compliance”,
Chelyabinsk, Russia
I.A. SAVIN, LLC “Expert center of sanitary and environmental standards compliance ”,
Chelyabinsk, Russia, e-mail: nokhrin8@mail.ru
Abstract
With the use of the "Biotester-2" device and infusoria Paramecium caudatum express assessment of the toxicity of 69 underground waters was made. The samples were taken from different wells in the Chelyabinsk and Chelyabinsk region. The results showed the toxicity to be at 33.3%, which corresponds to the "acceptable" category with 14.5% being "moderate" and 52.2% being "high". The average value of
Вестник Совета молодых учёных и специалистов Челябинской области №4 (11) Т.1 2015 31
the toxicity index T was 0.39 (95% CI: 0.20 - 0.58). Using statistical methods the following was proven: decrease of T corresponds to the increased concentration of potassium and the increase of T corresponds to the increased concentration of silicon. Toxicity of the silicon for the infusorians was proven in a laboratory experiment. According to the results of the biotesting, silicon is toxic in a concentrations of 7.6 - 17.5 mg/dm3, which is very close to the sanitary norms for drinking water.
Keywords: groundwaters, biotesting, infusorians, toxicity, silicon.
