Разработка методики оценки токсичности почв техногенно-нарушенной территории с использованием методов биотестирования на примере предприятия АО «Сырьевая компания» для школьных исследований. Development of a methodology for assessing the toxicity of soils

УДК 504

Разработка методики оценки токсичности почв техногенно-нарушенной территории с использованием методов биотестирования на примере предприятия АО «Сырьевая компания» для школьных исследований

Development of a methodology for assessing the toxicity of soils of technogenically disturbed territories using bioassay methods on the example of the enterprise JSC «Raw Materials Company» for school research

Шамина Лейла Фанилевна

ГБПОУ Дюртюлинский многопрофильный

колледж, преподаватель

Shamina Leila Fanilevna

GBPOU Dyurtyulinsky multidisciplinary

college, teacher

leila. shamina5789@yandex. ru

Аннотация: в статье рассмотрены комплекс тест-организмов для биотестирования почв с целью их экотоксикологической оценки, состоящий из высших растений, микроорганизмов и гидробионтов. Биотестирование на микроорганизмах и высших растениях позволяет оценить уровень токсичности почвы для организмов-педобионтов.

Ключевые слова: токсичность, биотестирование, почва, организмы, гидросфера, мониторинг, экологическое наблюдение, поллютанты, тест-объекты, биоиндикация.

Abstract: the article considers a complex of test organisms for soil biotesting for the purpose of their ecotoxicological assessment, consisting of higher plants, microorganisms and hydrobionts. Bioassay on microorganisms and higher plants allows us to assess the level of soil toxicity for pedobiont organisms.

Keywords: toxicity, bioassay, soil, organisms, hydrosphere, monitoring, environmental monitoring, pollutants, test objects, bioindication.

Интенсивная хозяйственная деятельность человека привела к выраженным изменениям окружающей среды и дестабилизации природных систем. Одним из ведущих антропогенных факторов в настоящее время является загрязнение окружающей среды, которое сегодня носит глобальный характер. В результате концентрация некоторых загрязнителей в отдельных регионах или в ряде продуктов питания уже представляет реальную угрозу для здоровья человека и состояния окружающей среды. В сложившейся ситуации особую актуальность приобретают мероприятия, направленные на сохранение окружающей среды. Важнейшей частью природоохранной деятельности является система экологического мониторинга, в рамках которого проводятся планомерные систематические наблюдения за состоянием окружающей среды, в том числе за уровнем наиболее опасных загрязнителей. Государственный мониторинг земель является одной из подсистем Единой системы государственного экологического мониторинга (государственного мониторинга окружающей среды).

К настоящему времени для подавляющего числа загрязнителей разработаны методы (нередко дорогостоящие), позволяющие получать количественную информацию об уровне загрязнения и его отклонении от предельно допустимой концентрации (ПДК). Однако эти методы не дают возможность получить интегральную характеристику действия всех поллютантов в конкретном биогеоценозе (например, в водоеме), так как для многих загрязнителей характерно явление синергизма (при одновременном воздействии их негативные эффекты на живой организм усиливаются, иногда весьма значительно). В связи с этим возрастает практическая значимость использования для мониторинга состояния окружающей среды методов биотестрирования, как одного из наиболее быстрых и эффективных методов диагностики состояния среды.

Методами биотестирования определяется наличие в окружающей среде загрязнителя по состоянию определенных организмов, наиболее чувствительных к изменению экологической обстановки. Под биотестированием обычно понимают процедуру установления токсичности среды с помощью тест-объектов - специально отобранных и выращиваемых живых организмов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения их жизненно важных функций [7].

Для определения токсичности среды используются различные методы, в зависимости от среды, которую нужно проверить. Каждый метод использует свой тест-объект: культуры клеток тканей человека и животных, одноклеточные зеленые водоросли (хлорелла, требоуксия из лишайников и прочее), простейшие: инфузория-туфелька, бактерии, членистоногие: рачки дафния и артемия, рыбы, насекомые, мох мниум, цветковые: злак плевел, кресс-салат [2].

В настоящее время для биотестирования атмосферного воздуха добавляются лишайники, мушки, для отходов горно-добывающих предприятий и почв - дрозофилы. Для оценки токсичности изучаемых объектов исследователями разных стран используются в качестве тест-систем различные организмы: от бактерий до млекопитающих. Конечной целью всех биотестов является оценка безопасности или иных свойств исследуемого объекта на организмах-моделях и на основании полученных результатов прогнозирование реакции организма человека и/или животных на этот объект [3].

Действующая система контроля за загрязнением окружающей среды основана на количественном сравнении компонентного состава проб с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) загрязняющих веществ. Опасность техногенного воздействия оценивается на основании суммарного коэффициента техногенного загрязнения, рассчитанного в соответствии с данными валового содержания химических элементов. Такой подход является не всегда эффективным. В настоящее время число веществ-загрязнителей, способных влиять на экологическое состояние биоты, превысило миллион наименований, и ежегодно синтезируется свыше четверти миллиона новых [1].

В результате преобразований в природной среде происходит синтез новых соединений, которые могут быть токсичнее исходных ингредиентов. Примерами таких веществ могут быть метилртуть, соединения тяжелых металлов с детергентами, пестицидами и т. д. [2].

Методы биотестирования, основанные на ответной реакции живых организмов на негативное воздействие загрязняющих веществ, способны давать достоверную информацию о качестве компонентов окружающей среды, в том числе почв.

По сути, биотестирование – это определение токсичности пробы (воды, почвы, донных осадков и т. д. ) для данной культуры организмов в лабораторном эксперименте. В основе биотестирования лежит такой метод научного познания, как биологическое моделирование. Всякая модель является в определенной мере специфической формой отражения действительности. При биотестировании происходит перенос знаний с простой системы (смоделированной экосистемы в лабораторном опыте) на более сложную (экосистему в реальных условиях). При таком подходе важным является выбор тест-культуры и параметров изменения ее жизнедеятельности.

В научной литературе некоторые авторы критикуют метод биотестирования как плохо воспроизводимый и недостоверный, считая его непригодным для оценки окружающей среды, так как результаты исследований часто имеют значительный разброс (до 35%) при воспроизведении в разных лабораториях [3]. Однако при современном развитии биологии этот вопрос неразрешим. Тем не менее, существуют способы сведения разброса результатов опытов с живыми организмами к минимуму и тем самым повышения их достоверности и воспроизводимости. В первую очередь, подопытные организмы в рамках одного эксперимента должны быть визуально одинаковыми. Это означает, что для семян растений необходима калибровка по массе и длине, для животных имеют значение возраст и размеры. Например, для опыта с дафниями подбирают молодых особей в возрасте от 1 до 3 дней, культивируемых в лабораторных условиях.

Кроме того, лабораторная культура дафний периодически должна проходить тест на чувствительность к токсикантам (по калию двухромовокислому K₂Cr₂O₇). Во-вторых, необходимо уравнять для всех вариантов опыта внешние факторы, такие как освещенность, температура, влажность субстрата (при фитотестировании). В-третьих, число параллельных определений в каждом варианте должно быть достаточным для проведения дальнейшей статистической обработки полученных данных.

Некоторые исследователи рекомендуют определять степень токсичности почв используя биохимические, генетические, биофизические, цитологические или иммунологические показатели животных и растений [4].

Живой организм реагирует на изменение окружающей среды изменением гомеостаза. Этот механизм обеспечивает протекание жизненных процессов. Под воздействием неблагоприятных условий внешней среды механизмы поддержания гомеостаза могут быть нарушены, что приводит к состоянию стресса. Однако показатели нарушения гомеостаза не могут дать прогноза о дальнейшей жизнеспособности организма в силу своей динамичности. Поэтому в подавляющем большинстве методов биотестирования тест-функции организмов являются наиболее общими, отражающими состояние организмов в целом: выживаемость, репродуктивную функцию, ростовые показатели и т. д. В настоящее время для определения токсичности почв методами биотестирования используются показатели токсичности водных вытяжек из почв, определяемые на организмах-гидробионтах [5].

На основании многолетних исследований комплексной экотоксикологической оценки техногенно загрязненных почв из всего комплекса методов биотестирования, существующих в настоящее время, предлагаем комплекс тест-организмов, включающий в себя исследования на трех тест-объектах: представителе гидробионтов Daphпia magna St., микроорганизмах и представителе высших растений Avena sativa. Именно эти представители биоты, используемые в лабораторных экспериментах, могут дать адекватную оценку качества почвы техногенно-нарушенной территории с использованием методов биотестирования в АО «Сырьевая компания», которое многие годы является одним из источников экологической опасности в Республике Башкортостан. На предприятии действуют производства по переработке химического сырья, которые наносят значительный урон окружающей среде и здоровью человека. В настоящее время на территории вблизи предприятия хранится большое количество химических отходов, которые размещены в хранилищах, не имеющих защитных барьеров, полностью исключающих загрязнение окружающей среды.

Предлагается комплекс тест-организмов для биотестирования почв с целью их экотоксикологической оценки, состоящий из высших растений, микроорганизмов и гидробионтов. Биотестирование на микроорганизмах и высших растениях позволяет оценить уровень токсичности почвы для организмов-педобионтов.

В рассматриваемом комплексе тест-организмов для экотоксикологической оценки почв наряду с организмами-педобионтами присутствует представитель гидробионтов, чтобы исключить риск загрязнения сопредельной водной среды, так как загрязняющие вещества путем миграции по почвенному профилю могут попадать в грунтовые воды или при поверхностном смыве – в различные водные объекты (ручьи, реки, озера и т. д. ). Наиболее пригодным для биотестирования водных вытяжек из почв является ветвистоусый рачок Daphпia magna Straus. Литературные данные, подтвержденные собственными исследованиями, свидетельствуют о том, что этот представитель планктона является универсальным и весьма чувствительным к загрязнению тест-объектом. Биотестирование на дафниях проводили по методике ФР. 1. 39. 2001. 00283. Водные вытяжки из почв готовились в соотношении почва: вода 1: 4 [5].

В качестве экстрагента использовали культивационную воду. Кратковременное биотестирование водных вытяжек из почв позволяет определить их острое токсическое действие на дафний по смертности. Критерием острой токсичности служит гибель 50% и более дафний за 96 часов в исследуемой воде по отношению к контролю при условии, что в контрольном эксперименте гибель не превышает 10%. Вторым тест-объектом в предлагаемом комплексе биотестов являются почвенные микроорганизмы, а точнее естественный микробоценоз, содержащийся в исследуемых почвах. Как важнейший компонент наземных экосистем микроорганизмы активно участвуют в регуляции почвообразовательных процессов, разложении растительных и животных остатков, контролируют широкий спектр других экосистемных функций [4].

Одним из распространенных интегральных методов определения биологической активности почв и грунтов является актуальное почвенное дыхание, то есть выделение почвенной биотой углекислоты. Определение токсичности почвы основано на изменении биологической активности почвенных проб под влиянием содержащихся в них токсичных веществ по сравнению с контрольной пробой. Определение биологической активности почвы выявляет тенденции в динамике биологических процессов. Поэтому для оценки степени токсичности загрязненной почвы проведение исследований по изучению этого показателя является обязательным.

Количество СО₂ определяли по методу Э. А. Головко [5]. Количество выделившегося СО₂ определяется через 24 часа. Содержимое стаканчиков титруют раствором Н₂SO₄ в присутствии фенолфталеина до обесцвечивания раствора. Полученные данные обрабатываются методом вариационной статистики. По результатам биотестирования на дафниях проб нефтезагрязненной дерново-подзолистой почвы, установлено, что дозы внесения нефти 0. 7 и 1. 4 л/м² не оказывали острого токсического действия на дафний даже при свежем трехнедельном разливе. Достоверная гибель дафний относительно контроля составила 21% и 42% особей соответственно. Почвенные образцы с дозой нефти 4 л/м² обладали острой токсичностью до начала второго вегетационного сезона – гибель дафний превышала 50%. Тем не менее к последнему сроку наблюдений гибель дафний составляла 27%, что, согласно методике, означает отсутствие острой токсичности [5].

Таким образом, использование в комплексе биотестов представителя гидробионтов позволяет контролировать загрязнение сопредельной водной среды (реки, озера, грунтовые воды и т. д. ). Предложенная тест-система не только дает возможность определять уровень интегральной токсичности почвы, но и позволяет следить за динамикой ее самоочищения, а также восстановления с применением рекультивационных мероприятий, например при внесении бакпрепаратов.

Список литературы

1. Азарова С. В. Отходы горно-добывающих предприятий и комплексная оценка их опасности для окружающей среды: Автореферат дис. … канд. геол. - мин. наук. - Томск, 2015. - 21 с.

2. Биоиндикаторы и биотест-системы в оценке окружающей среды техногенных территорий / Под ред. Т. Я. Ашихминой, Н. М. Алалыкиной. - Киров, 2018. - 336 с.

3. Еремеева А. С., Донченко М. И., Бучельников В. С., Перегудина Е. В., Азарова С. В. Обзор методов биоиндикации и биотестирования для оценки состояния окружающей среды // Молодой ученый. - 2018. - №5. - №11. - С. 537-540. - URL https: //moluch. ru/archive/91/19944/ (дата обращения: 06. 04. 2021).

4. Жорняк. Л. В. Эколого-геохимическая оценка территории по данным изучения почв: Автореферат Дис. … канд. геол. -мин. наук. - Томск, 2009. - 21 с.

5. Заалишвили В. Б., Алборов И. Д., Бадтиев Ю. С., Тедеева Ф. Г., Алагов А. А. Способ биоиндикации загрязнения воздуха. [Электронный ресурс]. URL: http: //www1. fips. ru/wps/wcm/connect/content_ru/ru (дата обращения: 06. 04. 2021).

6. Ляшенко О. А. Биоиндикация и биотестирование в охране окружающей среды. – СПб.: Издательство СПбГТУРП, 2012. - 67 с.

7. Мелехова О. П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование / О. П. Мелехова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева и др. - М., 2017. - 288 с.

Шамина Лейла Фанилевна

ГБПОУ Дюртюлинский многопрофильный колледж,

452320, Республика Башкортостан, г. Дюртюли, ул. Ленина, 14