Методы оценки токсичности водных систем

Усиление антропогенного воздействия на реки, озера и водохранилища, в которые поступает большое количество различных химических соединений, изменяет среду обитания водных организмов, ухудшает качество воды, приводит к снижению продуктивности промысловых объектов. Сточные воды, сбрасываемые в водоёмы, даже после очистных сооружений, содержат токсичные химические вещества, которые могут нанести значительный ущерб водной экосистеме, и, в конечном итоге, здоровью населения.

Токсичность воды может быть обнаружена с помощью химических и биологических методов.

Биологические методы можно условно разделить на методы биоиндикации и биотестирования. В таблице 8.7 представлены основные характеристики этих методов, позволяющие сравнить их между собой. Каждая группа методов имеет свои достоинства и недостатки.

Таблица 8.7–Основные характеристики методов оценки токсичности вод

*)Тест организмы чаще всего культивируют в лаборатории.

Химические методы измерения концентрации загрязняющих веществ в воде позволяют проверить соответствие их установленным нормативам качества воды для конкретных видов водопользования

(рыбохозяйственного, рекреационного, питьевого и т.д.).

Химические методы дают информацию об интенсивности воздействия на водную экосистему. Их недостатком является невозможность оценки реальных биологических эффектов как отдельных загрязняющих веществ, так и их комплексов, а также продуктов их трансформации и метаболизма. Кроме того, число химических соединений, загрязняющих водную среду, так велико, что трудно

поддается контролю, и перспектива в этом отношении весьма пессимистична.

В настоящее время, по оценкам некоторых специалистов, контролируется не более 0,5% поступающих в окружающую среду химических веществ.

Методы биоиндикации которые представляют собой традиционные гидробиологические способы, позволяют получить данные, характеризующие отклик водных биоценозов на антропогенное воздействие.

Этот метод широко применяется в геохимии, гидробиологии, почвоведение, ботанике, медицине и других областях и является основой мониторинга состояния окружающей среды.

Различают несколько направлений биоиндикации:

-аккумулирующая – основана на накопительных свойствах отдельных организмов и органов;

-чувствительная – основана на пороге чувствительности организмов к тем или иным токсинам, в том числе и на изменении их поведенческих реакций;

-прямая – основана на ответных реакциях организмов на прямое действие стрессов;

непрямая – основана на ответных реакциях организмов на косвенное воздействие вредных факторов;

В зависимости от постановленных целей и задач биоиндикация проводится на молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, биоценотическом либо экосистемном уровне.

Биоиндикация имеет определение преимущества перед физико-химическими методами исследований, поскольку позволяет в ряде случаев фиксировать те отклонения качества среды, которые не регистрируются даже самыми современными приборами.

В исследованиях и разработках високочувствительной измерительной техники для экологии, медицины, биотехнологий значительное место занимают биосенсоры – уникальные устройства, включающие биологические компоненты, в том числе и живые организмы. Биосенсоры имеют два главных элемента: биологический, который «распознает» анализируемое вещество, и инструментальный, который обеспечивает передачу сигнала.

Биосенсоры, основанные на использовании бактерий, чаще применяются в экологических исследованиях. Так, для определения хлорированных углеводородов и других токсичных компонентов в сточных водах используют биосенсор, измеряющий биолюминесценцию бактерий.

Методы биотестирования, в отличие от биоиндикации, представляют собой характеристику степени воздействия на водные биоценозы. С помощью этих методов можно получить данные о токсичности конкретной пробы воды, загрязненной химическими веществами – антропогенными или природного происхождения. Таким образом, методы биотестирования, будучи биологическими, близки к методам химического анализа вод. В то же время, в отличие от химических методов, они позволяют дать реальную оценку токсических свойств воды или другой среды, обусловленной присутствием комплекса загрязняющих химических веществ и их метаболитов.

Согласно принятому определению, биотестирование воды – эта оценка качества воды по ответным реакциям водных организмов, находящихся в этой среде и являющихся тест-объектами.

Метод биотестирования отличается от биоиндикации тем, что последняя осуществляется в полевых (природных) условиях, а первый – в искусственно созданных условиях эксперимента.

Задачи биотестирования:

-определение токсичности отдельных веществ, вносимых в водную

среду, для последующего нормирования;

-выявление присутствия в водной среде неизвестного состава

биологически опасных веществ;

-установление источников токсического загрязнения водных

объектов и оценка их интенсивности;

-определение необходимой степени разведения сточных вод до

биологически и экологически безвредных уровней.

Так, в ходе биотестирования уровня токсичности среды используют мутагенный эффект от действия на тест-микроорганизм (обычно используют сальмонеллу и её штаммы) токсичных веществ.

В настоящее время уже известно свыше 40 биотестов качества поверхностных и сточных вод, из которых наиболее часто используется 15, в том числе (в скобках обозначен тестируемый объект среды):

- выживание и плодовитость дафнии (сточные и природные воды);

-двигательная активность, выживание и темп роста инфузорий (сточные и природные воды);

-реакция ухода рыб из токсичной зоны (сточные воды);

-смена статического состояния медицинской пиявки динамическим (сточные и природные воды) и другие.

Следует отметить, что ни один из тест-объектов не может служить универсальным индикатором, из-за видовой избирательности в равной степени чувствительным ко всем экологическим факторам.

Методы и приемы биотестирования используются в настоящее время по различным назначениям (табл. 8.8).

Таблица 8.8 – Область применения методов биотестирования

токсичности водной среды.

Условные обозначения: ЛК₅₀ – летальная концентрация для 50% тест организмов; ЕК₅₀ –эффективная концентрация для 50% тест-организмов; МНК – максимальная недействующая концентрация; ПДК – предельно допустимая концентрация; ОБУВ – ориентировочно безопасный уровень воздействия; ОТД – острое токсическое действие; ХТД – хроническое токсическое действие; ЛД₅₀ – время гибели 50% тест- организмов.

В настоящее время общество осознало опасность токсического загрязнения окружающей среды и пришло к необходимости введения в практику мониторинга совершенно новых нетрадиционных подходов, в частности биологического тестирования.

Биотестирование является основным приемом в разработке ПДК химических веществ и, в конечном итоге, в оценке их опасности для окружающей среды и здоровья населения. В ходе разработки ПДК

определяют параметры, характеризующие токсичность: максимальные недействующие концентрации, ЛК₅₀ или ЭК₅₀. Биотестирование на гидробионтах проводят в случае разработки рыбохозяйственных ПДК, когда оценивать опасность загрязнения водных экосистем.

Биотестирование используют для оценки токсичности промышленных сточных вод на разных этапах их очистки, чаще всего при внедрении новых технологий, а также для разработки ПДС предприятий включены в экологический паспорт предприятия.

Биотестирование природных вод стало широко применяться в научно-исследовательских работах, в том числе прикладной направленности, с начала 80-х годов. Это объясняется существенным увеличением уровня загрязненности водных объектов и надеждами специалистов на то, что биотестирование сможет хотя бы частично заменить химический анализ вод. Показатели биотестирования природных вод включены в перечень показателей для выявления зон чрезвычайно экологической ситуации и зон экологического бедствия.

Тем не менее, мониторинг токсического загрязнения на основе действующей в Украине системы ПДК химических веществ представляет определенные трудности. Прежде всего, они связаны с большим перечнем загрязняющих веществ, попадающих в экосистемы, и невозможностью их контроля, в том числе веществ, образующихся в самой экосистеме в результате ее метаболизма. Кроме того, даже измерение концентрации загрязняющих веществ не позволяет с высокой степенью достоверности судить об их реальном воздействии на биоту из-за неопределенности знаний об их совместных комбинированных эффектах, влиянии других агентов окружающей среды.

Под токсичностью и токсикологическими показателями иногда подразумевают концентрации токсичных загрязняющих веществ в воде. Именно так, в частности, трактуются эти термины в ГОСТе на питьевую воду. Более обоснованным представляется понимание токсичности воды как интегральной характеристики ее свойств, обусловленных присутствием в воде токсичных для биоты загрязняющих химических веществ, которую можно оценить с помощью биотестирования.

Работ по биотестированию водной среды опубликовано множество, но они были сделаны главным образом с целью оценки токсичности вновь синтезированных химических препаратов, препаратов, приобретаемых по импорту, а также при разработке регламентов на химические соединения. Гораздо меньше публикации по биотестированию сточных вод и еще меньше – по биотестированию природных вод.

Следует заметить, что за рубежом, особенно в индустриально развитых странах, биотестирование сточных и природных вод применяется достаточно широко и входит в программы, контролирующих качество вод организаций.

Большое разнообразие методик и процедур, использованных разными авторами, создает определенные трудности в анализе и систематизации материалов: исследуются разные химические вещества, разные наборы методик и тест организмов, разные условия токсикологических экспериментов, которые не всегда стандартизованы. Даже единицы измерения часто несопоставимы. В этой связи были проведены специальные работы по систематизации, отбору и апробации методов биотестирования природных вод в рамках ряда государственных научно-технических программ при участии ведущих специалистов по водной токсикологии.

Интегральный показатель токсичности, помимо общего неспецифического влияния на гидробионты, в некоторых случаях позволяет выделить некоторые специфические реакции на отдельные химические вещества или группы веществ. Так, например, ртуть является сильным ингибитором клеточного деления у водорослей, что позволяет по изменению соответствующих показателей судить о наличии ртути в водной среде. Были сделаны попытки создать своего рода шкалу для идентификации групп загрязняющих веществ по различным проявлениям токсического влияния, в частности по поведенческим реакциям у дафний. Шкала, однако, не имела популярности у специалистов.

В настоящее время хорошо известны методы биотестирования, ориентированные на определение токсичности водной среды, обусловленной присутствием определенных групп химических соединений, в частности фосфорорганических (ФОС). Ингибирующее воздействие ФОС на холинэстеразы известно давно. Сейчас установлено ингибирующее влияние на холинэстеразу и других химических соединений хлорорганических, тяжелых металлов; на этой основе разрабатываются экспрессные методы биотестирования с использованием иммобилизованных ферментов и электродной техники

Следует подчеркнуть, что идентификация природы загрязняющих веществ не является задачей биотестирования и остается прерогативой химического анализа.

В отличие от биотестирования токсичности химических веществ (с целью разработки ПДК), биотестирование природных вод представляет собой оценку токсичности водной среды неизвестного состава и имеет в связи с этим ряд особенностей. Однако даже если специалисту известны источники загрязнения водного объекта и он может предполагать, какие химические вещества присутствуют в пробе природной воды, результат биотестирования не может быть точно предсказан по этим данным. Он будет зависеть от ряда факторов: комбинированного эффекта воздействия комплекса присутствующих загрязняющих веществ, трансформации и метаболизма, гидрохимического режима. Таким образом, только биотестирование может дать ответ о реальной токсичности пробы природной воды для гидробионтов и получить данные об опасности токсического загрязнения водной экосистемы.