CC BY
94
7universum.com
UNIVERSUM:
ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ
УСТАНОВЛЕНИЕ ТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ПОЛИМЕРСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ,
ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ МОДЕЛЬНЫХ ЭКОСИСТЕМ
Каширская Анна Олеговна
аспирант
Астраханского государственного технического университета,
РФ, г. Астрахань [email protected]
Сопрунова Ольга Борисовна
д-р биол. наук, профессор Астраханского государственного технического университета,
РФ, г. Астрахань [email protected]
THE ASSESSMENT OF POISONOUS ACTION OF POLYMER-CONTAINING MATERIALS FORMING PART OF MODEL ECOSYSTEMS
Kashirskaya Anna
post-graduate student of Astrakhan State Technical University,
Russia, Astrakhan
Soprunova Olga
doctor of Biological Sciences, Professor of Astrakhan State Technical University,
Russia, Astrakhan
АННОТАЦИЯ
Произведена постановка острого токсикологического эксперимента в модельных экосистемах, содержащих различные полимерсодержащие материалы (синтетический, биоразлагаемый полимер). В качестве тестобъектов использовались низшие ракообразные дафнии (Daphnia manga Straus). Установили среднюю летальную кратность разбавления, которая вызывает
Каширская А.О., Сопрунова О.Б. Установление токсического действия полимерсодержащих материалов, входящих в состав модельных экосистем // Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. 2014. № 9 (9) . URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/1568
50 % гибель тест-объектов (ЛКР50-96) и безвредное разбавление, которое вызывает 10 % гибель тест-объектов за 96 часов экспозиции (БКР10-9б).
ABSTRACT
A sharp toxicological experiment is set up in model ecosystems with different polymer-containing materials (abiotic, biodegradable polymer). As test objects entomostracans daphnia (Daphnia manga Straus) are used. The authors set average lethal reciprocal dilution which causes 50 % death of test objects (LKR50-96), and harmless dilution caused 10 % death of test objects for 9б hours of exposure (BKP10-96).
Ключевые слова: токсикологический эксперимент; биотестирование; дафнии; полимерные материалы.
Keywords: toxicological experiment; biotesting; daphnia; polymer materials.
В настоящее время в мире остро стоит решение экологически важной проблемы загрязнения окружающей среды полимерсодержащими отходами. Полимерные материалы стали неотъемлемой частью жизни человека, т. к. они используются повсеместно (пищевая промышленность, фармацевтика, строительство). Во многих регионах России не производится вторичной переработки твердых отходов, в том числе и полимерсодержащих. Как правило, они собираются и вывозятся на мусорные полигоны, где хранятся длительное время, вследствие чего происходит интенсивное загрязнение окружающей среды как отходами, так и вторичными продуктами, образующимися при длительной естественной трансформации соединений, входящих в их состав. В процессе хранения отходов в естественных/природных условиях выделяется большое количество побочных продуктов распада полимеров, содержащих различные кислоты органического происхождения, карбонильные соединения, в том числе ацетальдегид, формальдегид и CO, что негативно отражается на экологическом состоянии окружающей среды. Как отходы, так и продукты их распада представляют собой неоднородные, сложные
поликомпонентные смеси веществ, которые обладают различными физикохимическими свойствами и различной токсической, химической и биологической опасностью [1, с. 35].
Одним из критериев определения степени воздействия антропогенных поликомпонентных загрязнителей на окружающую среду является изучение острого токсического действия продуктов их распада на различные тестобъекты (семена, водоросли, ракообразные и т. д.) [2, с. 40].
Для изучения возможности биоремедиации почвенных экосистем, содержащих ТБО, в т. ч. полимерсодержащие материалы, в лабораторных условиях проводился модельный эксперимент, в котором условия культивирования схожи с естественными и максимально приближены к оптимальным значениям, при которых может происходить процессы восстановления экосистем и биодеградация соединений полимерной природы. Для увеличения скорости необходимых процессов модельный эксперимент модифицировали (внесли базовую минеральную среду, периодически определяли численность микроорганизмов в ней, в результате чего определили стабильное сообщество микроорганизмов — биодеструкторов). Возможность разработки процессов биодеградации и биоремедиации целесообразно начинать с модельных систем, что позволяет исключить воздействие
неблагоприятных/нежелательных факторов, установить уровень снижения токсической нагрузки на окружающую среду и перенести полученные результаты в естественную среду [6, с. 160].
При моделировании экспериментов в лабораторных условиях необходимо учитывать, насколько безопаснее является биологический способ утилизации полиэтиленсодержащих материалов в отличие от естественной деструкции.
Целью работы стало осуществление острого токсикологического эксперимента для определения влияния продуктов распада полимерсодержащих материалов (синтетический полимер, биоразлагаемый полимер) в модельных почвенных системах, культивируемых в лабораторных
условиях, на тест-объекты — низших ракообразных дафний (Daphnia manga Straus).
Материалы и методы исследования
Объектами исследования послужили модельные экосистемы с синтетическим (НК-1) и биоразлагаемым (НК-2) полимерным материалом. Исследовали, насколько процессы биодеградации, смоделированные в лабораторных условиях, вредны/безвредны для тест-объектов, для дальнейшего переноса их в естественные условия.
Эксперименты поставлены в различные сроки, но ведутся параллельно, так как сроки разложения синтетического и биоразлагаемого полимеров различны и по истечении 86 и 6 месяцев экспозиции соответственно данные по изменении/убыли физических свойств полимерсодержащих материалов (прочностные свойства, вес) аналогичны.
Основой для модельных систем послужила минеральная синтетическая питательная среда определенного состава, содержащая минимальное количество неорганических соединений (KH2PO4, K2HPO4, MgO, (NH4)2SO4 и т. д.), её использовали для модификации условий культивирования и снижения токсической нагрузки при деградации полиэтиленсодержащих материалов. Также в состав модельной системы вносили светло-каштановую почву, для выделения различных физиологических групп микроорганизмов, которые смогли бы использовать полиэтиленсодержащий субстрат в метаболических процессах в качестве единственного источника углерода. Поставленные модельные экосистемы неким образом повторяют условия, создаваемые при хранении материалов в естественных условиях (свалки, полигоны).
В процессе инкубирования установили, что разрушение материалов происходит за счет наличия в модельных системах сообществ биологических агентов (микроскопические грибы, бактерии), в результате жизнедеятельности которых происходит потребление соединений, входящих в состав полиэтилена [5, с. 85]. Использование биодеструкторов в естественных условиях в разы позволяет снизить уровень токсической нагрузки, оказываемой
при деструкции полиэтилена в естественных условиях или же за счет привычного для большинства регионов способов утилизации ТБО (сжигание, захоронение).
Определяли острое токсикологическое действие продуктов, образующихся при деградации полимерсодержащих материалов в лабораторных условиях с использованием тест-объекта низших ракообразных — дафний (Daphnia manga Straus).
Острое токсическое действие определяли по смертности особей ракообразных за 96-тичасовую экспозицию. Критерием острой токсичности явилась летальность 50 % и более за период экспозиции [4, с. 21].
Произведена серия разбавлений из модельных экосистем с внесением различных полимерсодержащих материалов. Определение острой токсичности каждого разбавления и контрольной пробы проводили в 3-х параллельных повторностях. В качестве контроля использовали серии с культивационной водой для ракообразных.
При определении острой токсичности модельных экосистем установили усредненную летальную кратность разбавления, вызывающую гибель тестобъектов в количестве 50 % (ЛКР50-9б) и безвредное разбавление, которое вызывает 10 % гибель тест-объектов за 96 часов экспозиции (БКР10-9б) [7, с. 33].
Для определения острой токсичности исследуемого объекта рассчитывали % погибших дафний в тест-воде (А, %) в сравнении с контролем по соответствующей формуле:
Л 100%
(1),
где: Хк — количество дафний, выживших в контроле,
Хт — количество дафний, выживших в исследуемом разбавлении.
Для определения значений использовали пробит-анализ. Значения пробитов установили по стандартным значениям гибели дафний от 0 до 99 %. Десятичный логарифм концентрации исследуемых объектов lg C обозначили х,
численные значения пробитов гибели дафний — у. При расчетах учитывали такие значения lg C, при которых наблюдается смертность тест-объектов. В результате получили ряд чисел:
(Х1У1ХХ2У2)... (xnyn)
(2),
по которым определили линейную зависимость:
y = kx + b (3).
Численные значения k и b вычисляли по формулам:
(4),
*1
(5).
Полученные значения подставляли в уравнение регрессии в формулу, в соответствии с которой определяли значение x при 50 % гибели дафний (у=5):
(6).
По окончании расчетов полученный логарифм процентной концентрации исследуемой модельной экосистемы переводили в процентную концентрацию [3, с. 6].
Результаты и обсуждение
В начале эксперимента произвели регистрацию условий проведения эксперимента, которые отметили в рабочем журнале по стандартной форме. Данные представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Рабочий журнал биотестирования
№ Характеристики эксперимента НК-1 НК-2
1. Дата постановки модельного эксперимента Ноябрь 2006 г. Сентябрь 2013 г.
2. Состав модельной экосистемы Минеральная синтетическая среда, почва, синтетический полимерный материал Минеральная синтетическая среда, почва, биоразлагаемый полимерный материал
3. Используемые тесторганизмы, возраст Дафнии, возраст менее 24 часов, разница между особями не более 8 часов.
4. Место биотестирования, условия Лаборатория ПБиМ, t = 20±20 C, фотопериод : 16 часов — световой, 8 часов — ночной
5. Время хранения пробы от постановки модельной системы до начала биотестирования 86 мес. 6 мес.
6. Режим кормления ежедневно 1 см3 суспензией водорослей -5 Scenedesmus quadricauda на 100 см исследуемой воды
7. Повторность для каждой концентрации три
8. Смена растворов Не производилась
9. Исследуемые концентрации 0,1; 1; 1,1; 1,25; 1,4; 1,6; 1,8; 2; 2,5; 3; 4; 5; 10; 50; 100 %
10. Соответствующее разбавление 1:1000; 1:100; 1:95; 1:90; 1:90; 1:80; 1:70; 1:60; 1:55; 1:50; 1:40; 1:30; 1:25; 1:20; 1:10; 1:1; 1 (без разбавления)
11. t, pH в исследуемой жидкости Измерения перед началом биотестирования — все имеющиеся показатели в пределах оптимальных значений, установленных в методике
12. Средняя летальная кратность разбавления в остром опыте ЛКР50-96 1,13 % концентрация 5,07 % концентрация
13. Безвредное разбавление в остром опыте БКР10-96 1,05 % концентрация 1,1 % концентрация
Для определения острой токсичности исследуемого объекта рассчитали % дафний, которые погибли в тестируемой воде (А, %) по сравнению с контролем по формуле 1. Для определения значений использовали пробит-анализ. Результаты экспериментов по установлению острого токсического действия в накопительных культурах показали, что в НК-1 при концентрации раствора 2-50 и в НК-2 от 4 до 50 смертность дафний составляет выше 50 %, а при уменьшении концентрации смертность уменьшалась и отмечена на уровне минимальных значений.
Таблица 2.
Результаты определения острой токсичности модельных экосистем
Исследуе- мая концентрация, % Время от начала биотести- Количество выживших Смертно сть к контролю Оценка качества исследуемой среды
дафний (по параллельным разведениям) 50—96 10—96
рования Кон НК НК НК НК НК НК НК НК
тр -1 -2 -1 -2 -1 -2 -1 -2
0,1 30 30 30 0 0
1 30 30 30 0 0
1,05 30 27 28 10 6
1,1 30 25 27 16 10
1,25 30 24 25 20 16
1,4 30 21 24 30 20
1,6 30 18 22 40 26 1,8 % 1,05 % 1,1 %
1,8 96 часов 30 15 20 50 33 4 %
2 30 12 18 60 40
2,5 30 6 18 80 40
3 30 3 16 90 46
4 30 2 15 93 50
5 30 0 14 100 53
10 30 0 0 100 100
50 30 0 0 100 100
Значения пробитов для экспериментально установленного процента погибших дафний и значения десятичного логарифма для концентраций исследуемых модельных экосистем, представленные в таблице 3, показывают
зависимость гибели дафний от концентрации раствора, значения которых необходимы для дальнейших вычислений.
Таблица 3.
Значения десятичных логарифмов для исследуемых концентраций модельных экосистем и пробитное значение от экспериментально установленного процента гибели дафний
Исследуемая концентрация, % Десятичный логарифм концентрации (lg C) Количество погибших дафний, % Значения пробитов для % гибели
НК-1 НК-2 НК-1 НК-2
0,1 -1 0 0 — —
1 0 0 0 — —
1,05 0,0212 10 6 3,72 3,45
1,1 0,0413 16 10 4,01 3,72
1,25 0,0969 20 16 4,16 4,01
1,4 0,1461 30 20 4,48 4,16
1,6 0,2041 40 26 4,75 4,36
1,8 0,2552 50 33 5,00 4,56
2 0,3010 60 40 5,25 4,75
2,5 0,3979 80 40 5,84 4,75
3 0,4771 90 46 6,28 4,90
4 0,6020 93 50 6,50 5,00
5 0,6989 100 53 7,40 5,08
10 1 100 100 7,40 7,40
50 1,6989 100 100 7,40 7,40
Для определения летальной концентрации раствора определяли линейную зависимость по формуле 4, а также коэффициенты k и b. По вычисленным результатам производили соответствующие расчеты для каждой модельной экосистемы.
Рассчитаны значения коэффициентов для синтетического полимерного материала:
к =
13 *3 9.5 044-5.5 №6*72.19
13* 5.3533-(5.940б]2 = 3 2
(4.1),
Ь =
5,3 5 33 *72,19- 5,5 №6*3 9,5 044
13- 5.3533-(5.940б]2 = 4g
(5.1).
Полученные значения подставлены в уравнение регрессии в формулу, в соответствии с которой определили значение x при 50 % гибели дафний:
(6.1).
В результате полученный логарифм процентной концентрации исследуемой модельной экосистемы перевели в процентную концентрацию lgC50 =0,0625, что соответствует процентной концентрации 1,13 %, ЛКР50-96=88,4.
Аналогично определили коэффициенты для накопительной культуры с биоразлагаемым полимерным материалом:
к =
13*3j.466jj — □.□906*63. □ 4
13* 5.3533-(5.940б]2 = 3 08
(4.2),
b =
□ ,3j33*63.j4 — □. □ 90 б * 3 □ .4 б б □ □
13* 5.3533-(5.940б)2 = 4 13
(5.2).
Полученные значения подставлены в уравнение регрессии в формулу, в соответствии с которой определили значение x при 50 % гибели дафний
(6.2).
В результате полученный логарифм процентной концентрации исследуемой модельной экосистемы перевели в процентную концентрацию lgC50 =0,28, что соответствует процентной концентрации 5,07 %, ЛКР50-96=19,7.
Таким образом, установили, что 1,13 % концентрация исследуемой модельной экосистемы с синтетическим полимерным материалом или разбавление в 88,49 раза (100 %/1,13 %), вызывает 50 % гибель тест
объектов за 96 часов (ЛКР50-96=88,4). Так же установили, что 5,07 % концентрация исследуемой модельной экосистемы с биоразлагаемым полимерным материалом или разбавление в 19,7 раза (100 %/5,07 %), вызывает 50 % гибель тест объектов за 96 часов (ЛКР50-96=19,7).
Определено токсическое действие продуктов распада полимерсодержащих материалов (синтетический полимер, биоразлагаемый полимер) на тестобъекты. Острый токсикологический эксперимент показал, что синтетический полимерный материал даже при длительной экспозиции (86 месяцев) оказывает значительное влияние (ЛКР50-96=88,4) на используемые тест-объекты. Это может свидетельствовать о том, что в процессе разрушения при воздействии на материал почвенных микроорганизмов в инкубационную среду выделяются высокотоксичные побочные продукты деполимеризации материала.
Острый токсикологический эксперимент в накопительной культуре с биоразлагаемым полимерным материалом показал значение летальной концентрации при разбавлении в 19,7 раз (ЛКР50-96=19,7). Данное значение может свидетельствовать о том, что исследуемый полимерсодержащий материал содержит легкодоступные для микроорганизмов соединения, которые оказывают небольшое токсическое воздействие на окружающую среду.
Список литературы:
1. Бояндин А.Н. Биодеградация полигидроксиалканоатов почвенными микробиоценозами различной структуры и выявление микроорганизмов-деструкторов // Прикладная биохимия и микробиология. — 2012. — Т. 48. — № 1. — С. 35—44.
2. ГОСТ 8.207-76. Прямое измерение с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. 1977. — 48 с.
3. Жмур Н.С. Государственный и производственный контроль токсичности вод методами биотестирования в России. М.: Международный Дом Сотрудничества, 1997. — С. 6—19.
4. Жмур Н.С. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменения плодовитости дафний. 2-е издание, испр. и доп. М.: АКВАРОС, 2007. — 52 с.
5. Каширская А.О. Микроорганизмы, выделенные с поверхности синтетических полимерных материалов // Проблемы современной биологии. 2011. — С. 85—87.
6. Каширская А.О. Разработка микробного биопрепарата на основе микроорганизмов-деструкторов полимерсодержащих отходов // Естественные и математические науки в современном мире. — 2014. — № 5 (17). — С. 160—166.
7. Шадрина О.И. Экотоксикологический контроль и биотестирование: учебное пособие. Астрахань: изд-во АГТУ, 2009. — 83 с.
