Эконовости О компании Издания и
проекты
Авторам Реклама Подписка Контакты Архив Полезные
ссылки
       
 
№1, 2007: Биоиндикация и биотестирование ксенобиотиков

<< Содержание номера
<< Архив


[RUS] / [ENG]
Биоиндикация и биотестирование ксенобиотиков
Н.А. Киреева, Т.Р. Кабиров, И.Е. Дубовик. Комплексное биотестирование нефтезагрязненных почв
Предпринята попытка разработать комплексную тест-систему для многофакторной оценки состояния почв, подвергшихся нефтяному загрязнению. Использованы различные группы организмов и изменения в активности почвенных ферментов для диагностики токсикометрических показателей нефтезагрязенных почв.

Нефть является одним из наиболее распространённых загрязнителей окружающей среды. Большие объемы нефти попадают в экосистему в результате аварий при транспортировке, незаконных врезок в нефтепроводы, нарушений при добыче и т. д. Не являясь ксенобиотиком, нефть при извлечении из недр на поверхность земли, способна, тем не менее, проявлять сильные загрязняющие свойства. Попадая в почву, нефть оказывает токсическое воздействие на растения и животных, подавляет активность почвенной микробиоты и нарушает баланс почвенных ферментов [1]. В этой связи остро стоит проблема диагностики токсического влияния нефтяных углеводородов на многоуровневую экосистему почв.
На сегодняшний день одним из важнейших инструментов предупреждения и оценки антропогенного воздействия на экосистему является биомониторинг. Биотестирование, биоиндикация и экотоксикология, наряду с методами аналитической химии, позволяют построить наиболее полную картину деградации почв, загрязнённых нефтяными углеводородами. Принцип биоиндикации строится на том, что каждый организм в отношении любого действующего фактора обладает уникальным физиологическим диапазоном реакции. В то же время на каждую конкретную группу организмов будет влиять множество факторов, помимо исследуемого, которые не всегда возможно учесть. Наиболее рациональным является использование комплексного биотестирования, учитывающего изменения в балансе почвенных экзоферментов, микроорганизмов и водорослей, а также токсикометрии высших растений и животных.
При построении комплексной тест-системы для оценки токсичности почвенного покрова мы руководствовались следующими принципами: тест-система должна иметь представителей двух трофических уровней – автотрофов и гетеротрофов; кроме того, в её составе должны быть представители из основных царств живого – бактерий, грибов, растений, животных; тест-система должна включать тест-организмы, хорошо растущие в лабораторных условиях; организмы, обладающие высокой чувствительностью к исследуемым загрязнителям природной cреды и такие тест-реакции тест-объектов, регистрация которых не требует использования сложной и дорогостоящей аппаратуры, но в то же время несущих достаточный объем информации [2].
Основываясь на перечисленных принципах и лабораторных исследованиях, нами были отобраны следующие факторы и тест-объекты, достоверно отзывающиеся на внесение загрязнителя – почвенные ферменты (каталаза и липаза), активности которых определяются по методам, описанным Ф.Х. Хазиевым [3], и легко диагностируются и дополняют друг друга. Водоросли являются важным компонентом автотрофного звена комплекса почвенных микроорганизмов [4]. Критерием степени нарушения почвенных ценозов является показатель изменения их видового разнообразия [5], определённый по принятым в альгологии методам [6, 7]. Высшие растения – овёс посевной (Avena sativa L.) и редис (Raphanus sativa L.) относятся к эукариотам, автотрофам, продуцентам. Овёс наряду с редисом и кресс-салатом является одним из наиболее часто используемых для биотестирования организмов с хорошо изученной биологией и экологией [8].
Влияние нефтяного загрязнения на высшие растения определялось с использованием стандартных методик [9]. Степень зоотоксичности нефтезагрязнённой почвы определяли с использованием ногохвосток (Collembola) – одной из наиболее многочисленных и широко распространённых групп педобионтов, используемых, в последнее время для оценки степени антропогенной нагрузки [10]. Два вида коллембол: 1 – Folsomia candida – неприхотливый, быстро размножающийся вид, удобный для быстрой оценки степени зоотоксичности; 2 – Onychiurus stachianus – вид характеризуется менее подвижными и более крупными особями, которыми легко манипулировать и вести подсчёт. Соответствующими тест-реакциями явились: для ферментов – относительная активность, для цианобактерий и микроскопических водорослей – видовое разнообразие, для высших растений – всхожесть семян и морфометрические характеристики растений, выращенных на исследуемых почвах. Для коллембол – процент выживаемости, значения LC50 и LC100, способность к размножению.
Несмотря на то что каждый из перечисленных объектов достаточно стабильно реагировал на изменение концентрации поллютанта и теоретически позволял достаточно точно определить степень загрязнения, часто реакции разных тест-объектов противоречили друг другу. Вероятно, это связано с тем, что в процессе биодеградации различные промежуточные продукты распада углеводородов могут быть более токсичны для одних организмов и менее или нетоксичны для других; также возможны ситуации, когда вещества А и В не токсичны по отдельности, но, присутствуя в среде одновременно, они могут оказать остро токсическое действие на живые организмы. В наших исследованиях довольно стабильными оказывались реакции ферментов для разных концентраций нефти в пределах одного типа почвы, но значительно изменялись для другого из-за различий в контрольной активности, температуре и влажности, и наоборот, ногохвостки стабильно реагировали на наличие поллютанта, независимо от типа почвы. При проведении экспериментов по фитотоксичности у высших растений энергия прорастания семян и морфометрические характеристики зависели от величины эндосперма. Количество углеводородоокисляющих микроорганизмов зависело от наличия аборигенных видов и видов, внесённых в процессе биоремедиации. Нами выявлены некоторые закономерности по согласованной реакции тест-объектов на загрязнитель и ведётся дальнейшая работа по поиску тест-комплексов для быстрого и достоверного биотестирования нефтезагрязнённых почв.
Предполагается пошаговая диагностика почв с возможным нефтяным загрязнением. Сначала целесообразно провести экспресс-оценку in situ на изменение каталазной активности, фито- и зоотоксичности. Эти тесты просты и дают быстрые результаты. Если наблюдается значительное отклонение каталазной активности от контрольного или от фонового значения для данного типа почв, или если в течение 24 часов появились мертвые особи, или нарушение жизнедеятельности коллембол, или недостаточная всхожесть семян, почву следует признать условно загрязнённой и направить в лабораторию для проведения более полного и длительного биотестирования. Также всегда целесообразно направить образцы в лабораторию аналитической химии для определения компонентного состава загрязнителя.
В лабораторных и полевых условиях была сделана попытка выявить в достаточной мере достоверные закономерности реакций почвы и её обитателей на загрязнение нефтью, которые можно было бы экстраполировать на другие зоны с аналогичными условиями и ожидать там похожих тенденций в изменении токсической активности.
Использование коллембол оказалось одним из наиболее простых и в то же время результативных способов оценки почвенной токсичности. В отличие от некоторых других оценочных факторов между зоотоксичностью и концентрацией нефти наблюдалась практически линейная зависимость. По результатам нескольких исследований была построена кривая, характеризующая зависимость концентрации нефти от сроков наступления LC50 и LC100 (летальная концентрация, при которой гибнет 50 и 100% особей соответственно). В данном случае эти величины использовались как накопительные, например, если за 4 дня в колонии в результате жизнедеятельности накапливалось количество поллютанта, летальное для половины особей, а за 10 дней – для 100%, то количество нефти в почве составляло 3-4% (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость величин летальной и полулетальной дозы для коллембол Onychiurus stachianus от концентрации загрязнителя (1 мес. после загрязнения нефтью, черноземом)

Наиболее достоверная зависимость между концентрацией загрязнения и наступлением гибели 50 и 100% особей достигалась примерно через месяц после загрязнения, так как в это время токсический эффект наблюдался в течение длительного периода времени и диагностируемые величины достигали наибольшего разброса по временной шкале. В то время как в первые недели после загрязнения отравление и гибель коллембол наступали уже на 1-2 сутки, а по прошествию 2-3 месяцев величины LC50 и LC100 обычно вообще не достигались. Как и многие биотесты, приведённые значения применимы для концентрации загрязнителя до 10%. Нами также предпринята попытка создания единого коэффициента для определения концентрации и давности загрязнения по показаниям зоотоксичности, но ввиду невозможности учёта большого количества факторов и недостаточного объема выборки на данный момент достоверный вариант не был найден.
Исследования фитотоксического влияния нефти показали, что нефтяное загрязнение в значительной мере ингибирует рост и развитие растений. Выявлена зависимость от концентрации нефти в почве таких параметров, как всхожесть семян, вес и длина проростков, развитие корневых волосков. Отмечено, что при массовой доле нефти 1% фитотоксический эффект практически незаметен. В то же время при более высоких концентрациях наблюдалось значительное отставание всхожести семян и развития растений от контрольных параметров. Наиболее выраженный фитотоксический эффект наблюдался при использовании почвы, недавно подвергшейся нефтяному загрязнению.
В диагностических целях были выбраны почвенные ферменты – каталаза и липаза, так как ферментативная активность почв  – это один из показателей её биологической активности, характеризующий потенциальную способность экосистемы сохранять гомеостаз. Выбор ферментов был обусловлен различной их реакцией на нефтяное загрязнение и довольно простым способом регистрации результатов. Выявлено, что попадание в почву нефти даже в концентрации 1% существенно ингибировало каталазную активность. Чем выше количество поллютанта, тем значительнее снижалась активность этого фермента. При концентрациях средних и выше среднего (4-10%) активность каталазы восстанавливалась медленно и возвращалась к контрольному уровню только спустя 1,5-2 года. В то же время при малых концентрациях активность каталазы восстанавливалась уже через 6 месяцев и продолжала нарастать, опережая контрольные значения и оставаясь повышенной в течение длительного времени (рис. 2А).

А


        Б


Рис. 2. Динамика изменения каталазной (А) и липазной (Б) активности со временем
в почвах с разными дозами нефтяного загрязнения

Динамика изменения липолитической активности нефтезагрязненных почв имела иной характер. Активность почвенной липазы при нефтяном загрязнении сначала резко падала, но уже через 2-3 месяца достигала контрольного значения и длительное время оставалась на высоком уровне, причем стимуляция активности липазы происходила пропорционально концентрации загрязнителя (в диапазоне до 15%), так же как и её ингибирование сразу после контаминации. Таким образом, при мониторинге величин активности этих двух ферментов в почвах с возможным загрязнением можно получить следующие результаты: 1– активности обоих ферментов ниже нормы. Это говорит о том, что загрязнение произошло не раньше, чем несколько месяцев назад, и чем ниже показатели, тем оно интенсивнее. 2 – уровень каталазы ниже, а липазы выше контрольного. С начала загрязнения прошло больше 3-4 месяцев, и в зависимости от соотношения активностей двух ферментов можно сделать предварительную оценку концентрации и сроков загрязнения. 3 – активности обоих ферментов слегка выше контрольных. Скорее всего, с момента загрязнения прошло больше шести месяцев, и концентрация поллютанта не превышала 2-3%.
Весьма интересные данные были получены при изучении видового разнообразия водорослей и цианобактерий в почвах нефтяных месторождений.
За весь период исследований на территории нефтяных месторождений Уфимского и Краснокамского районов обнаружено 82 вида водорослей из четырех отделов: синезелёные – 32 (39%), зелёные – 25 (30,5%), желто-зелёные – 11 (13,5%), диатомовые – 14 (17%), относящиеся к 8 классам, 13 порядкам, 25 семействам, 46 родам. Основная часть разнообразия почвенной альгофлоры выявлена на контрольных участках (74 вида, или 88%). Общими с нефтезагрязнёнными территориями являются 37 видов, или 44% выявленной на месторождениях альгофлоры.
Видовое разнообразие водорослей в контроле всегда превышало этот показатель на нарушенном участке. В Уфимском районе эта разница составляет 39,4%, а в Краснокамском – 50% (рис. 3).

Рис. 3. Число видов водорослей в почвенных пробах нефтяных месторождений
(I – ненарушенный участок – контроль/ II  – техногенно-нарушенный участок):
1 – Уфимский район; 2 – Краснокамский район)

В альгоценозах нефтезагрязнённых почв выявлено меньше видов водорослей (на 43%), чем в контроле, из них синезелёных – на 23 %, зеленых – на 15%, диатомовых – на 57% и желто-зелёных – на 77% (рис. 4).

Рис. 4. Число видов в отделах водорослей альгоценозов (на оси ординат) на контрольных (I) и техногенно-нарушенных (II) участках

Среднее число видов в пробе ненарушенных альгоценозах в 2,7 раза выше (на 37 %), чем в нарушенных. Коэффицент сходства флористического состава Серенсена-Чекановского изученных альгоценозов нефтяных месторождений составляет 37%.
Биотестирование позволяет выявить распределение участков почвенного покрова с различной токсичностью, обусловленной как воздействием промышленных предприятий за длительный отрезок времени, так и единовременными попаданиями поллютанта в экосистему в результате аварий или утечек. По результатам биотестирования составляется карта токсичности почвенного покрова обследованной территории. Второй этап предусматривает ежегодную оценку токсичности почвы в ключевых точках. Биотестирование почвенного покрова позволит контролировать динамику накопления и разрушения токсических веществ. В конечном итоге это характеризует процессы самоочищения почвы.
Следует отметить, что биоиндикация и биотестирование нефтезагрязнённых почв рационально могут быть использованы при малых и средних концентрациях загрязнителя, до 10-15%, выше которых для большинства тест-объектов наступают абсолютно летальные концентрации. Это вполне оправдано, т. к. сильнозагрязнённые территории легко выявляются органолептически, в то время как биотестирование позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить наличие загрязнения там, где это не так очевидно, но, тем не менее, губительно для экосистемы и требует рекультивационных мероприятий.




<< Содержание номера
<< Архив

Дата последнего обновления: 13:40:18/24.05.22
   
     
       
 
ИАА "Информ-Экология"


   
     
 
       
 
Министерство природных ресурсов Российской Федерации


   
     
 
       
 
Счётчик


   
     
 
© Designed&Powered by 77mo.ru. 2007. All rights Reserved.