Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 12
1.1. Нефть и нефтепродукты как приоритетные загрязнители гидросферы 12
1.2. Опасность дгя гидробионтов нефтяного загрязнения 23
1.3. Биотестирование как метод оценки состояния окружающей среды 32
1.4. Использование поведенческих реакций в водной токсикологии 45
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 59
2.1. Объекты исследований 59
2.2. Используемые вещества 60
2.3. Методы исследований 62
2.3.1. Метод биотестирования основанный на регистрации выживаемости тест-объектов 62
2.3.2. Метод биотестирования основанный на регистрации изменения сердечного и дыхательного ритмов 63
2.3.3. Оценка токсичности анализируемых проб основанная на регистрации реакции всплытия 63
2.3.4. Оценка влияния химических соединений различных классов на D. magna 63
2.3.5. Оценка отношения D. magna к содержанию кислорода 64
2.3.6. Прочие методы использованные в работе 65
2.3.7. Статистическая обработка данных 65
ГЛАВА 3. Новая высокочувствительная тест-реакция ракообразных отряда Cladocera на нефтепродукты
ГЛАВА 4. Сопоставление чувствительности перехода рачков в поверхностный слой с другими критериями интоксикации Cladocera
ГЛАВА 5. Специфичность реакции всплытия Cladocera в поверхностный слой на нефтепродукты
ГЛАВА 6. Возможные причины всплытия Cladocera в поверхностную
пленку в присутствии нефтепродуктов
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
- Нефть и нефтепродукты как приоритетные загрязнители гидросферы
- Используемые вещества
- Оценка отношения D. magna к содержанию кислорода
Введение к работе
Актуальность проблемы. Глобальное загрязнение окружающей среды и неблагополучная экологическая ситуация в промышленных регионах обуславливают необходимость постоянного контроля (мониторинга) за загрязнением воздуха, качеством питьевой воды и накоплением токсичных химических веществ в почве и растительности (Другов, Родин, 2002). На сегодняшний день загрязнение окружающей среды токсикантами становится таким же экологическим фактором как свет, температура и т.д.
К числу наиболее распространенных и опасных загрязнителей природной среды относятся нефть и получаемые из нее продукты (The ecological impacts.., 1997; Паренаго, Давыдова, 1999). Этот тип загрязняющих веществ, как никакой другой, имеет поистине глобальное распространение (Beswick, 1996). Ни один другой загрязнитель не может сравниться с нефтью по широте распространения, количеству источников загрязнения, уровням химических нагрузок на все компоненты ландшафтов при авариях скважин, нефтепроводов и других технических объектов, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой и хранением нефти (Гурвич, 1997). Загрязнение природной среды нефтяными углеводородами - одна из сложных и многоплановых проблем экологии.
Контроль за загрязнением воздуха, воды и почвы вредными химическими веществами, в том числе и нефтепродуктами, основан на сравнении результатов измерения их содержаний в объектах окружающей среды с предельно допустимыми концентрациями (ПДК) этих веществ (Другов, Родин, 2000). Для нормирования содержаний вредных веществ (установления, разработки ПДК) используются результаты токсикологического эксперимента с животными, расчетные методы и прогнозирование вели- чин ПДК по аналогии с ПДК для родственных по химическим и токсикологическим свойствам соединений с учетом величин ПДК для конкретных химических соединений, принятых в других странах. В России величины ПДК постоянно изменяются - в основном в сторону снижения (ужесточения нормативов).
В России нормировано для воздуха, воды и почвы несколько тысяч токсичных соединений (Контроль химических и биологических.., 1998). При этом ежегодно внедряется в промышленность, сельское хозяйство и сферу быта несколько тысяч новых химических веществ. Данные Международного регистра потенциально токсичных химических веществ (МРПТХВ) за 90-е годы XX столетия свидетельствуют о существовании более 4 млн. химических соединений. Поэтому традиционный подход к выполнению санитарно-химических измерений (определение индивидуальных соединений с помощью официальных методик) является далеко не оптимальным: во-первых, такие анализы дороги и длительны (процесс разработки ПДК занимает более 1 года); во-вторых, большинство стандартных (официальных) методик не позволяет получить достоверные результаты при анализе реальных смесей загрязнителей; в-третьих, нет смысла определять по существующим методикам отдельные индивидуальные компоненты, когда в анализируемой смеси загрязнителей присутствует еще по крайней мере несколько десятков подобных веществ, которые нужно также определять в искомом объекте (Мазаев, Подлепа, Сот-сков и др., 1999).
Сегодня оценка загрязнения окружающей среды нефтепродуктами, впрочем, как и другими токсическими веществами, производится, преимущественно, на основе результатов экоаналитических анализов (Жмур, 1997). Экологическая аналитическая химия использует методики, основанные на хроматографии (ГХ, ВЭЖХ, ИХ, ТСХ), спектроскопии (эмисси- онный спектральный анализ, атомная абсорбция, атомная флуоресценция, спектрофотометрия в УФ- и ИК-области спектра, люминесценция, масс-спектрометрия, ядерный магнитный резонанс и др.) и электрохимических методов анализа (полярография и вольтамперометрия, потенциометрия, кулонометрия и кондуктометрия). Также находят широкое применение гибридные методы и их комбинации (ГХ/МС, ГХ/ИК-Фурье, ВЭЖХ/МС, ВЭЖХ/ГХ, ГХ/ТСХ, ГХ/МС/ИК-Фурье, ВЭЖХ/МС/ИК-Фурье, ГХ/МС/ИК/АЭД и др.). Вместе с тем, аналитическая процедура определения загрязняющих веществ длительна и дорогостояща, требующая наличия высококвалифицированного персонала и современной аналитической аппаратуры. Во-первых, все этапы процедуры, от пробоотбора и концентрирования микропримесей до детектирования и идентификации целевых компонентов и метрологической оценки результатов измерений осуществляются в специальных хорошо оснащенных химических лабораториях (Карасек, Клемент, 1993; Спектральный анализ.., 1994; Столяров и др., 1998; Гейсс, 1999; Сониясси, Сандра, Шлетт, 2000). Во-вторых, надежная идентификация целевых компонентов в сложных смесях загрязнителей различной природы и токсичности, возможна лишь при одновременном использовании трех-четырех независимых методов (Кунце, Шведт, 1997; Ермаченко, 1997; Другое, Родин, 1999; Золотов, Дорохова, Фадеева, 1999). Тщательный и корректный (доказательный) анализ нужен во всех тех случаях, когда сложившаяся ситуация может угрожать здоровью людей или нанести вред животным и окружающей среде (Майстренко, Хамитов, Буд-ников, 1996). И, наконец, в последние годы все чаще возникают ситуации, связанные с необходимостью выполнения быстрого анализа сложных смесей токсичных химических соединений неизвестного или частично известного состава.
В настоящее время все больше исследователей приходят к выводу, что переход к более надежному экологическому контролю состояния окружающей среды возможен только при обязательном использовании методов биотестирования (Сидоров, Немова, 1997; Зарубин, Цветков, 1997; Брагинский, 1998; Тягненко, Володина, Полякова и др., 1998; Дятлов, 2000; Mancha, Diaz, Arese, 1997; Rosso-Darment, Rebillard, Lafont, 1998; Rudneva-Titova, 1998). Биологические методы, характеризующие качество природной среды как среды обитания, уже зарекомендовали себя как достаточно информативные, позволяющие дать интегральную оценку влияния комплекса ингредиентов и факторов на организмы (Брагинский, 1993; Жмур, 1997; Чесалина, Руднева, 1998; Егоров, Зарипова, Арсентьева и др., 1998; Domal-Kwiatkowska et al., 1994; Neff Jerry, Burns William, 1996; Tisler Tatjana, Zagorc-Koncan Jana, 1999; Barron et al., 1999). Оперативная интегральная оценка качества воды, почвы и атмосферы методами биотестирования не заменяет химический анализ, но дополняет и предваряет его, благодаря экспрессное, простоте и невысокой стоимости методов биотестирования.
Метод биотестирования основанный на выживаемости ветвистоусых рачков рода Daphnia является одним из наиболее применяемых в водной токсикологии (Филенко, Дмитриева, Исакова и др., 1991; Сазонова, Пань-кина, 1998; Туманов, Постнов, 1998; Исакова, Юклеевских, 1998; Степанов, Зобов, Петрова и др., 1999; Baird et al., 1991; Gaete Hernan, Paredes Karina, 1996; Penttinen, Kostamo, Kukkonen, 1998; Rojiikov, Marsalek, Hol-oubek, 1998). Это обусловлено тем, что дафнии широко распространены в природе, легко культивируются и обладают высокой чувствительностью к токсикантам различной природы. Биотест входит в большинство национальных и международных стандартов исследования качества вод и имеет ряд директивных документов по применению в практике биологического тестирования (Методическое руководство.., 1991; ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.5-2000).
Вместе с тем, как показали наши исследования, в острых опытах чувствительность дафний к нефтегенным загрязнителям, при использовании гибели как тест-реакции, явно недостаточна для оперативного контроля нефтяного загрязнения (Лозовой, Стом, Балаян и др., 1998; Balayan, Saxonov, Stom et al., 2000; Лозовой, 2000; Лозовой, Балаян, Саксонов и др., 2001). Другие существующие на сегодняшний день методы биологической оценки, также позволяют выявлять лишь относительно высокие концентрации нефтепродуктов в природных средах (Котов, 1995; Седых, Игнатьев, Семенюк, 1998; Егорова, Зарипова, Арсентьева и др., 1998; Лозовой, Балаян, Саксонов и др., 2000; Руднева, Чесалина, Кузьминова, 2000; Саксонов, Балаян, Стом, 2001; Балаян, Стом, 2001; Wirth, 1998). В связи с этим поиски перспективных биологических методов, позволяющих в достаточно короткий промежуток времени обнаружить наличие нефтегенного загрязнения являются весьма актуальными.
Цель и задачи исследований. Основная цель настоящей работы -разработать на основе дафний новый экспрессный и высокочувствительный метод обнаружения нефтяного загрязнения в природных средах. Исходя из этого, были поставлены следующие задачи:
Предложить экспрессный, надежный и информативный метод обнаружения нефтепродуктов и их ингредиентов с использованием дафний.
Сопоставить чувствительность тест-реакции на различных видах ракообразных и разновозрастных Cladocera к нефтепродуктам.
Провести сравнительную оценку чувствительности к нефтепродуктам известных методов и предлагаемого биотеста.
Выяснить степень специфичности найденного теста для нефтепродуктов. Изучить вероятную взаимосвязь между строением и свойствами нефтепродуктов и чувствительностью предлагаемого биотеста.
Изучить возможность использования предлагаемой тест-реакции для биологического контроля сред содержащих нефтепродукты в присутствии загрязнителей других классов.
Исследовать возможные механизмы предлагаемой тест-реакции.
Оценить перспективы, ограничения и выдать рекомендации по использованию разработанного биотеста для биотестирования нефтезагрязнен-ных субстратов.
Научная новизна. В результате выполнения поставленных задач была обнаружена и изучена новая высокочувствительная и экспрессная тест-реакция Cladocera - всплытие рачков на поверхность раздела водная среда - воздух в присутствии нефти и нефтепродуктов. Показано, что данная реакция не инициируется фенолами, солями тяжелых металлов, спиртами, зфирами, поверхност ю-активными веществами и биологическими депрессантами. Установлено, что поведенческая реакция характерна для ракообразных отряда Cladocera (Daphnia magna, Daphnia pulex, Ceriodaph-nia pulchella, Bosmina longirostris, Simocephalus vetulus, Chydorus sphaeri-cus). Для рачков отряда Copepoda (Epischura baicalensis, Cyclops kolensis, Harpacticella inopinata), отряда Anostraca (Artemia salina) и отряда Podo-copida (Heterocypris reptans) всплытия в поверхностный слой не зафиксировано. В процессе работы сопоставлена токсичность нефти, нефтепродуктов, алифатических и ароматических углеводородов в отсутствие и присутствии других соединений различных классов на 8 видах ракообразных. Изучена взаимосвязь между различными физико-химическими характеристиками данных нефтепродуктов и токсичностью. Выявлено, что токсический эффект нефтепродуктов повышался по мере увеличения их тем- ператур кипения, а у нефтяных углеводородов также и по мере нарастания молекулярных масс. Изучены возможные механизмы, обуславливающие всплытие и последующую иммобилизацию дафний под влиянием нефтепродуктов. Показано, что всплытие тест-объектов в поверхностный слой не связано с дефицитом кислорода, наркотическим действием нефтепродуктов, реакцией фототаксиса и аккумуляцией в организме мелкодисперсных частиц нефтепродуктов. Отмечена высокая роль хемотаксиса в возникновении исследуемой реакции.
Практическое значение работы. Предложенная новая экспрессная и высокочувствительная тест-реакция позволяет выявлять низкие концентрации нефтепродуктов, в том числе в присутствии в опытных пробах и других химических соединений различных классов, за исключением высоких концентраций поверхностно-активных веществ. Сравнение чувствительности предложенной тест-реакции и известных биотестов позволило предложить ее в качестве высокочувствительного биологического метода для экспрессного обнаружения нефтяного загрязнения природных объектов. Результаты работы включены в отчеты лаборатории водной токсикологии НИИ биологии при ИГУ по госбюджетной теме 1999 г., по хоздоговору 2000 г. выполненному по заданию компании "РУСИА-Петролеум", по грантам РФФИ (№ 99-04-49612) и Интеграция (№ 54-275-15). Они используются в учебном процессе для чтения курсов лекций на биологическом факультете ИГУ («Санитарная гидробиология», «Водная токсикология» и др.). Разработанный метод защищен патентом № 2152612 от 10.07.2000.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на региональном научно-техническом совещании «Решение проблем охраны окружающей среды и рационального использования ресурсов в Иркутской энергосистеме» (Иркутск, 1996); Международной научно-практической конференции «Человек - среда - вселенная» (Иркутск, 1997); Юбилейной конференции «Современные проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения Прибайкалья» (Иркутск, 1998); 1 съезде токсикологов (Москва, 1998); Международной научно-практической конференции «Экология речных бассейнов» (Владимир, 1999); Международной научно-практической конференции "Экология. Образование. Здоровье" (Иркутск, 2000); 4 Всероссийском научном молодежном симпозиуме "Безопасность биосферы" (Екатеринбург, 2000); Международном симпозиуме по защите окружающей среды (Корея, 2000); 5 Международной конференции "Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов" (Ховд, MP, 2001); Научной конференции "Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования" (Чита, 2001); Молодежной научной школе "Нефть и газ в современном мире: геолого-экономические и социально-культурные аспекты" (Иркутск, 2001); Международной научно-практической конференции "Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем" (Иркутск, 2001).
Нефть и нефтепродукты как приоритетные загрязнители гидросферы
Вторая половина XX века характеризуется беспрецедентным по масштабам давлением производственной деятельности человеческого общества на окружающую среду, и в особенности на гидросферу, по выражению В.И. Вернадского (Вернадский, 1965), "насквозь пронизанную биосферой". По существу, все антропогенные воздействия - затрагивают ли они литосферу, атмосферу, почву (педосферу) или урбанизированную (городскую) среду - так или иначе, выходят на гидросферу через атмосферные осадки, почвенный сток, миграцию подземных вод и другие процессы, связанные с круговоротом воды.
С ростом антропогенной нагрузки на водные объекты все больший интерес представляют работы по токсикометрии различных соединений. Данные Международного регистра потенциально токсичных химических веществ (МРПТХВ) за 90-е годы XX столетия свидетельствуют о существовании более 4 млн. химических соединений. Ежегодно внедряегся в промышленность, сельское хозяйство и сферу быта несколько тысяч новых химических веществ. Где бы ни применялись химические вещества, их распространение не знает границ и, следовательно, носит глобальный характер.
Анализу проблем, порождаемых поступлением токсикантов в морские и пресные воды, посвящена обширная мировая и отечественная литература, в которой рассмотрены химические, экологические, технологические, медико-гигиенические и другие аспекты токсического загрязнения вод, исследуются причины, следствия, закономерности и механизмы действия промышленных, сельскохозяйственных и других ядов в условиях водной среды (Можаев, 1976; Брагинский, Комаровский, Щербань и др., 1989; Мак-Интайр, 1990; Максимов, 1991; Макаренко, 1996; Мазманиди, 1997; Дятлов, 2002; Nelson-Smith, 1972, Issa Ahmed, Ismail Mady, 1995; Escher, Behra, Eggen et al., 1997; Spangenberg, Streloke, Rothert, 1998).
В последние десятилетия непрерывно возрастает роль загрязнения водной среды нефтью и нефтепродуктами (Кормак, 1989; Гольдберг, Зверев, Арбузов, 2001). Этот тип загрязняющих веществ, как никакой другой, имеет поистине глобальное распространение (Новиков, 2000; Beswick, 1996). Загрязнение природной среды нефтяными углеводородами - одна из сложных и многоплановых проблем экологии и охраны природной среды. Ни один другой загрязнитель не может сравниться с нефтью по широте распространения, количеству источников загрязнения, уровням химических нагрузок на все компоненты ландшафтов при авариях скважин, нефтепроводов и других технических объектов, связанных с добычей, транспортированием, переработкой и хранением нефти (Гурвич, 1997).
Нефтяное загрязнение гидросферы - одна из тяжелейших экологических трагедий 20 века, приведшая к деградации многих морских и пресноводных бассейнов и продолжающая угрожать самому существованию гид-робиоты. Несмотря на то, что технологические процессы при добыче нефти постоянно совершенствуются, опасность аварийных разливов и возникающих последствий злободневна (Земенков, Кутузова, Коваленко, 1997).
Добыча и использования нефти оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду в течение всего производственного цикла - от разведки месторождений, извлечения и транспортировки нефти до получения и потребления нефтепродуктов. Строительство и обустройство скважин в необжитых местах подрывает естественные экосистемы и наносит большой вред природным и агроэкосистемам (Шеметов, 1997). Большую опасность представляют утечки нефти, нефтяного шлама и нефтенасыщенных вод при бурении, нефти и нефтепродуктов при транспортировке в трубопроводах, нефтепродуктов при очистке и переработке нефти на предприятиях нефтехимического профиля, бензина и масел на бензохранилищах и бензозаправках. Гигантский объем вредных веществ поступает в атмосферу при сжигании попутных газов месторождений и при производстве нефтепродуктов (Акимова, Чурсина, Малахов, 1995).
Свыше 75 % нефтяных загрязнений попадает в гидросферу при "нормальных", безаварийных ситуациях вследствие экологического несовершенства современных технологий добычи, транспорта, хранения, переработки нефти и применения нефтепродуктов (Гурвич, 1997). Основой многих фрагментов этих технологий является десорбция остатков нефти или нефтепродуктов с твердых поверхностей водой или водными растворами поверхностно - активных веществ (ПАВ): промывка пор продуктивных пластов при нефтедобыче, гидротранспорт нефти в скважинах и трубопроводах, очистка резервуаров, цистерн, машин и деталей при эксплуатации и ремонте, мойка и дебалластировка танкеров, обезжиривание металлоизделий перед нанесением защитных покрытий и т.д. Токсикантами нефтесодержащих сточных вод, помимо нефти и нефтепродуктов, являются поверхностно - активные вещества (ПАВ), оксиды металлов, щелочные соли, тетраэтилсвинец, органические растворители (Аникиев, Амброси-мов, Мойсейченко, 1997; Иванов, 1998; Мясников, Потанина, Кудрявцев и др., 1998; Van Sickle, Groat, 1990; Tarazona, 1991). Кроме того, установлено, что наряду с вышеперечисленными веществами в сточных водах содержатся продукты полимеризации, поликонденсации, обводнения и других видоизменений нефтепродуктов - так называемые нефтеостатки или асфальтосмолопарафиновые отложения (АСПО). Это сложные вещества непостоянного состава, содержащие, наряду с алифатическими, ароматическими и нафтеновыми углеводородами, большое количество кислородных, азотистых и сернистых соединений, гетероциклические соединения типа смол, асфальтенов, ангидридов, асфальтогеновых кислот, карбенов, а также - карбоиды, металлопорфириновые комплексы, минеральные примеси, воду.
Подводная добыча нефти приводит к значительному загрязнению морской воды. Особенностью этого загрязнения является то, что нефть попадает в воду не только с поверхности, но и со дна из подводных грифонов, в результате чего создаются высокие концентрации нефти во всей толще морской воды (Гусейнов, Алекперов, 1989; Матимов, Шпарковский, Муравейко, 1998).
При аварийных разливах, после того как нефть разливается, она подвергается разделению внутри водного бассейна рядом путей:
1. Распространение - это процесс, путем которого разлитая нефть передвигается, и сама разбавляется на поверхности воды. Важным фактором, определяющим движение нефти в воде, являются течения. Нефть и нефтепродукты могут переноситься течениями на большие расстояния (Smith, 1968). Поверхность пленки может транспортироваться водным течением или передвигаться ветром со скоростью 2-5 % от скорости ветра (Миронов, 1985). На степень распространения пряме влияет вязкость разлитой нефти и условия окружающей среды (сила ветра и турбулентность).
2. Испарение - важный процесс в снижении объема разлива, который остается в водной окружающей среде. Испарение - это значительный процесс в рассеивании относительно легких и летучих углеводородных фракций. Процессу испарения способствуют высокие окружающие температуры и скорость ветра, которые продвигают разлитую нефть в атмосферу путем образования аэрозолей на гребнях волн. Установлено, что углеводороды с длиной цепочки менее С is (точка кипения 250 С) будут улетучиваться с поверхности воды в течение десяти суток, углеводороды в диапазоне CJ5 - С25 (точка кипения 250 - 400 С) удерживаются намного дольше, а с длиной цепочки свыше С25 (точка кипения 400 С) практически не будут испаряться. Летучие фракции испаряются, оставляя в воде густую, жиро-подобную массу. Так как низкомолекулярные фракции испаряются предпочтительней, то концентрации более тяжелых (высокомолекулярных) фракций значительно увеличиваются в остаточном объеме (Миронов, 1985).
3. Растворение - это процесс, в котором нефть растворяется в водном столбе. При поступлении в водный объект углеводороды распределяются по формам миграции, образуя наряду с растворенной, пленочной и диспергированной нефтью, смолистые образования, получившие название пелагической смолы. Состав таких смол довольно разнообразен, но большинство содержит парафиновые углеводороды до С4о (Миронов, 1985). Также, экспериментальными исследованиями доказана возможность образования пелагической смолы из нефтяной пленки в океане, в частности, в районах конвергенции при высоких концентрациях нефти и наличии плавающих предметов (Heaton, Wilke, Bowman, 1980). Этому может способствовать турбулентное перемешивание воды. Являясь стойкой к разрушению, пелагическая смола продолжительный период может загрязнять водную поверхность, а со временем опускаться в глубинные слои водоема.
Известно, что только 1 т нефти способна покрыть до 12 км" поверхности моря (Новиков, 2000). Экспериментально установлено, что разлитая нефть в течение 40 - 100 часов образовывает пленку различной толщины, которая может существовать в течение длительного времени и, в конечном счете, скапливается на побережьях по пути своего движения (Миронов, 1985). Направление растекания и форма нефтяного пятна на поверхности воды зависят от природных факторов (ветра, течений, приливных явлений, температуры, солености и др.) Нерастворимая пленка нефти, находящаяся на поверхности воды, препятствует доступу в нее кислороду. Интенсивность света под слоем нефти, составляет, как правило, 5-10% интенсивности света на поверхности. Установлено, что непрозрачность слоев нефти обусловлена главным образом содержащимися в ней асфальтенами и серой (Bridie et al, 1980). Ослабление света под поверхностью движущегося нефтяного пятна не имеет большого значения в открытом море, но может играть важную роль в условиях скальных углублений и мелководных лагун, где вода в солнечный день обычно перенасыщена кислородом вследствие фотосинтетической деятельности водорослей. В отсутствие света продукция кислорода прекращается, однако растения и животные продолжают потреблять его в процессе дыхания. Вероятно, при большом скоплении живых организмов в спокойной воде диффузия кислорода через толстую пленку нефти будет недостаточной, и животные будут погибать от удушья. Следует ожидать, что слой темноокрашенной нефти будет приводить в течение дня к повышению температуры воды в результате поглощения им солнечной энергии и экранирования поверхности лагуны. В свою очередь нагревание воды снижает абсорбцию водой кислорода и в то же время увеличивает скорость дыхания растений и животных, что еще более ухудшает их положение. Темный покровный слой нефти может также увеличивать скорость потерь тепла за счет радиации в пасмурное время или ночью, и обитатели заводи испытывают чрезвычайно большие колебания температуры.
Используемые вещества
В качестве токсикантов использовали: 1. Нефть Марковского месторождения Иркутской области и ее фракции со следующими температурами кипения (фракционирование проводили на кафедре органической химии Химического факультета ИГУ под руководством Баранской В.К.): до ПО С, 110-150 С, 150-180 С, 180-210 С, 210-240 С, 240-270 С, более 270 С.
2. Авиационные бензины Б-91/115 и Б-95/130; автомобильные бензины 80, 92 и 95 марок; лигроин; дизельное топливо (летний и зимний сорт); топочные мазуты М-40 и М-100; реактивное топливо Т-1, Т-2 и Т-6.
3. Ароматические углеводороды: бензол (С6Н6); толуол (метилбензол) С6Н5СНз; пара-, мета-, орта ксилолы С6Н4(СН3)2; стирол (винилбензол) СбН5СН=СН2; мезителен (1,3,5 - триметилбензол) СбН3(СНз)3, тетралин (1,2,3,4 - тетрагидронафталин) СбН4СН2(СН2)2СН2; нафталин (СюН8) , антрацен (С6Н4СН)2; этилбензол С6Н5С2Н5; кумол (изопропилбензол) СбН5СН(СН3)2; псевдокумол (СН3)зС6Н3.
4. Алифатические углеводороды: пентан СНз(СН2)СН3, гексан СН3(СН2)4СНз; гептан СН3(СН2)5СНз; октан СНз(СН2)6СН3; изооктан (2,2,4 - триметилпентан) (СН3)2СН(СН2)С(СНз)з; нонан СН3(СН2)7СН3; декан СН3(СН2)8СН3; ундекан СНз(СН2)9СНз; додекан (дигексил) СНз(СН2)10СН3; гексадекан (цетан) СН3(СН2)4СН3; октадекан СНз(СН2)ібСН3; нонадекан СН3(СН2)17СН3.
5. Поверхностно - активные вещества (ПАВ): додецилсульфат натрия, Tween-21, Tween-40, Triton Х-100.
6. Фенолы: фенол (моногидроксибензол), крезол, резорцин (1,3-дигидроксибензол), пирокатехин (1,2-дигидроксибензол), гидрохинон (1,4-дигидроксибензол).
7. Соли металлов: CdCl2, ZnCl2, HgCl2, CuSo4, FeCl2, NiCb SrCl2, Pb(N03)2.
8. Спирты: октанол (октиловый спирт) СНз(СН2)бСН2ОН, бутанол (бутиловый спирт) СН3(СН2)2СН2ОН, этанол (этиловый спирт) С2Н5ОН, про-панол (пропиловый спирт) СН3СН2СН2ОН, бензиловый спирт С6Н5СН2ОН.
9. Эфиры: диметиловый (СНз)гО, метилэтиловый СН3С2Н5О, бутиловый (С4Н9)20.
10. Биологические депрессанты: хлороформ, ацетон, четыреххлори стый углерод.
Используемые твердые вещества растирали в ступке, протирали через газ с размером пор 0,5 мм и готовили водные суспензии. Для предотвращения оседания суспензий опытные садки помещали на электрокачалку "Eplan - 357" (Польша). Диапазон исследуемых концентраций от 20 мг/л до 10 10 мг/л.
Для получения исходной эмульсии анализируемых нефтепродуктов их с помощью градуированной пипетки приливали к отстойной воде и в течение 30 мин перемешивали на электромешалке, делающей 1800 об/мин (Миронов, Лебедь, Семанов и др., 1985). Затем последовательным разбавлением готовили нужные концентрации. Диапазон исследуемых концентраций от 10 мл/л до 10" мл/л.
Водные суспензии и эмульсии, исследуемых токсикантов готовили на воде, используемой для культивирования рачков. Эта же вода служила контролем.
Все эксперименты проводили в трех параллельных сериях. В качестве контроля использовали три параллельные серии с культивационной водой. Биотестирование проводили в химических стаканах объемом 100 мл, в них помещали по 10 рачков. В опытах определяли концентрацию вызывающую 50% изменение тест-показателя (выживаемость, всплытие в поверхностный слой, изменения сердечного и дыхательного ритмов) за 24 часа. В некоторых опытах время экспозиции составляло 10 суток.
Показателем токсичности являлась выживаемость рачков в анализируемых пробах.
Наблюдения за их состоянием проводили непрерывно в течение первого часа воздействия токсикантов, через каждые 15 минут второго часа, затем ежечасно до конца наблюдений. Время гибели отмечали по наступлению неподвижности: у рачков отсутствуют плавательные движения, не возобновляющиеся при легком прикосновении струей воды или покачиванием опытного стакана (Исакова, Колосова, 1988). Опыты проводили как на молодых, так и на взрослых рачках.
Регистрацию изменения сердечного и дыхательного ритмов проводили в соответствии с (Колупаев, Покацкая, 1981; Колупаев, 1988). Для более четкой регистрации эффектов, в опыты брали взрослых (12-14 суток) особей, имеющих достаточно крупные размеры.
За критерий токсичности принимали реакцию всплытия тест-объектов в поверхностный слой опытных сред.
Наблюдения за их состоянием проводили непрерывно в течение первого часа воздействия токсикантов, через каждые 15 минут второго часа, затем ежечасно до конца наблюдений. Опыты проводили как на молодых, так и на взрослых рачках. Эффект регистрировали при соблюдении следующих условий: рачки всплывают в поверхностный слой опытных сред и находятся там на протяжении всего эксперимента, при легком прикосновении струей воды или покачиванием стакана не опускаются в толщу инкубационных сред.
Оценка отношения D. magna к содержанию кислорода
При постановке экспериментов по токсикометрической оценке эмульгированных нефтепродуктов нами было отмечено, что ветвистоусые рачки Daphnia magna всплывали на границу раздела эмульсия-воздух. Такое поведение рачков навело на мысль о возможности использования данной реакции в качестве критерия токсичности нефтесодержащих проб. В ходе проверки подобного предложения были проведены опыты с нефтью, различными нефтепродуктами, ароматическими и алифатическими углеводородами. В качестве тест- объектов использовали ракообразных отряда Cladocera (Daphnia magna, Daphnia pulex, Ceriodaphnia pulchella, Bosmina longirostris, Simocephalus vetulus, Chydorus sphaericus), отряда Copepoda (Cyclops kolensis, Epischura baicalensis, Harpacticella inopinata), отряда An-ostraca (Artemia salina) и отряда Podocopida (Heterocypris reptans). Эксперименты продолжительностью 24 часа проводили на взрослых (12-14 суток) особях.
В таблицах 3.1-3.4 представлены данные о влиянии опытных токсикантов на представителей зоопланктона. Анализируя табличные материалы, можно отметить, что исследуемая реакция наблюдалась для всех взятых в опыт представителей отр. Cladocera. Необходимо заметить, что используемые в экспериментах ветвистоусые рачки относятся к разным семействам: D. magna, D. pulex, С. pulchella и S. vetulus (сем. Daphniidae), С. sphaericus (сем. Chydoridae) и В. longirostris (сем. Bosminidae). Таким образом, реакция всплытия в поверхностный слой характерна для всех рачков отр. Cladocera вне зависимости от их видовой принадлежности.
В тоже время, во всем диапазоне исследуемых концентраций токсикантов (10 мл/л-10 ш мл/л), перехода в поверхностный слой не наблюдалось для представителей отр. Copepoda (С. kolensis, E. baicalensis, H. inopinata), отр. Anostraca (A. salina) и отр. Podocopida (H. reptans).
Если рассматривать реакцию всплытия как показатель токсичности опытных сред то можно заметить, что значительных видовых различий в чувствительности к нефтепродуктам у представителей зоопланктона не наблюдалось. Так, во фракции нефти с температурой кипения менее 110 С фиксировали всплытие 5С % рачков в следующих концентрациях: (3,42±0,56)х10"2 (D. magna), (5,37±0,96)х10"2 (D. pulex) и (8,42±1,68)х10"2 (В. longirostris). В эмульсиях дизельного топлива (зимний сорт) эти же тест-объекты всплывали в поверхностный слой при следующих концентрациях: (4,12±0,84)х10"7, (8,23±1,86)х10 6 и (5,56±1,22)х10"6. Ароматические и алифатические углеводороды также подтверждали данное заключение. Например, концентрации толуола, в которых наблюдали реакцию всплытия 50 % этих рачков составляли (6,62±1,26)х10 , (4,19±0,82)х10"2 и (1,92±0,35)х10 соответственно. Для нонана подобные концентрации составляли (2,32+0,44)х10 4, (6,64±1,26)х10 3 и (7,33±1,48)х10"3. Таким образом, все ветвистоусые рачки обнаруживали высокую и относительно близкую степень чувствительности к исследуемым токсикантам.
Вместе с тем, по эффективности вызывать всплытие тест-объектов в поверхностный слой токсиканты различались довольно существенно. Так, диапазон концентраций фракции нефти с температурой кипения 110-150 С, в которых наблюдали всплытие 50 % тест-объектов составлял (6, 24±1,21)х10"2 - (6, 52±1,12)х10 3, а для фракции с температурой кипения более 270 С - (5,47±l,18)xi0 5 - (3,49±0,62)х108. Диапазон концентраций автобензина-80 (35-195 С), в которых фиксировали этот показатель, составлял (8,13±1,81)х10 3 - (2,12±0,38)х10"3, а для мазута М-100 (более 350 С) - (7,25±1,43)х10"7 - (3,22±0,59)х10 9. Для ароматических и алифатических углеводородов наблюдали подобную картину. Так, диапазон концен траций бензола (80 С), в которых наблюдали всплытие 50% Cladocera, составлял (3,16±0,63)х10"2 - (8,31±1,92)х10 2, а для псевдокумола (169 С) -(1,58±0,33)х10"5 - (5,59±1,18)х10 5. Диапазон концентраций гексана (69 С) - (8,56+1,92)х10"2 - (1,47±0,32)х10-2, а для додекана (213 С) -(4,25±0,83)х10" - (5,69±1,28)х10" . Таким образом, чувствительность вет-вистоусых рачков, принимая за критерий токсичности всплытие в поверхностный слой 50% тест-объектов, увеличивалась по мере роста температур кипения и молекулярных масс токсикантов. Отмеченная закономерность прослеживалась для всех представителей отр. Cladocera, вне зависимости от их видовой принадлежности.
