Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10
1.1 Общая характеристика сточных вод. Законодательство в аспекте охраны водных ресурсов 10
1.2 Биотестирование как инструмент оценки токсичности вод, дафнии в качестве тест-объектов, для биотестирования сточных вод 19
1.3 Развитие и становление метода биологической очистки сточных вод с применением активного ила. Биота активного ила в качестве тест-объекта для биоиндикационных исследований 28
1.4 Перспективы использования инфузорий для биотестирования сточных вод 39
2. Материалы и методы исследований 43
3. Результаты исследований 47
3.1 Анализ видового разнообразия дафний для эффективного биотестирования токсичности сточных вод при разных технологических режимах работы предприятий 47
3.2 Индикаторные показатели динамики жизнеспособности активного ила, предшествующей процессу его вспухания, в зависимости от технологических режимов работы предприятий 67
3.3 Эколого-морфологические показатели поведения инфузорий при разных технологических режимах работы предприятий 77
Заключение 86
Выводы 91
Список сокращений 92
Список использованной литературы 94
- Биотестирование как инструмент оценки токсичности вод, дафнии в качестве тест-объектов, для биотестирования сточных вод
- Перспективы использования инфузорий для биотестирования сточных вод
- Анализ видового разнообразия дафний для эффективного биотестирования токсичности сточных вод при разных технологических режимах работы предприятий
- Эколого-морфологические показатели поведения инфузорий при разных технологических режимах работы предприятий
Введение к работе
Актуальность исследования. Масштабы антропогенной деятельности достигли такого уровня, когда существующая система экологического мониторинга должна дополняться исследованиями с использованием всё новых показателей биоиндикации и биотестирования, что позволит выделить основные факторы устойчивости экосистем в критических состояниях (Нефедова, 2011). Биотестирование и биоиндикация являются обязательными элементами современной системы контроля качества вод. Наряду с физико-химическими методами, они применяются при проведении экологического контроля за соблюдением нормативов допустимых сбросов химических веществ в водные объекты; при осуществлении государственного экологического мониторинга за состоянием водных объектов в районах расположения источников антропогенного воздействия; при проведении оценки изменения состояния водных экосистем и биоценозов (Алладин, 2000).
Традиционным подходом при проведении экологического мониторинга водной среды является использование методов химического анализа для оценки количественного содержания токсических веществ. Однако химический анализ не учитывает их интегрального токсикологического эффекта на биологические объекты. Для решения проблемы необходимо применение биологических методов анализа. Сочетание химических аналитических методов совместно с биотестированием в единую комплексную платформу мониторинга позволит в значительной степени повысить эффективность оценки качества водных экосистем (Сазыкина, 2014).
Модернизация методик для индикации и поиск параметров для проведения биотестирования и биоиндикации в практике природопользования проводилась Н. М. Калинкиной (1999), C. H. Walker (2001), Н. С. Жмур (2000), F. A Batzias (2007), И. В. Ивантером (2007), В. П. Моисеевой и Е. А. Моисеевой (2007), E. Nikunen и V. Miettinen (1985). О. П. Е. И. Сарапульцева, С. А. Граськин, Т. И. Евсеева, В. М. А. А. Киташова, Ю. П. И. А. Кондратьева, Ю. К. Доронин, Д. Н. Маторин, С. А. Остроумов, С. И. Погосян Н. Соловых (2010), А. А. Коровушкин (2011), О. А. Ляшенко (2012)) и др. посвящали свои научные работы биоэкологическому контролю окружающей среды посредствам биотестирования и биоиндикации.
В современных условиях развития промышленного производства, в течение года, предприятие количественно и качественно меняет ассортимент выпускаемой продукции, быстрыми темпами идет модернизация производств, внедряются инновационные технологии, что увеличивает разнообразие токсичных веществ в сточных водах. Технический регламент использования мощностей производства в рамках ассортимента выпускаемой продукции цикличен, что отражено в поквартальном графике. Как правило, в гидрохимических лабораториях, круглогодично, используется лишь один тест-объект для определения загрязнения стоков, что не позволяет достаточно точно анализировать их токсичность.
Для совершенствования биоиндикации и биотестирования, актуально проанализировать адаптивные ответы различных тест-объектов, выбрать из них эффективные для оценки токсичности сточных вод, поступающих на очистку при разной мощности работы аэротенков, которая определяется сменой технологических режимов работы предприятий.
Целью исследований является выявление эффективности использования различных гидробионтов для биоиндикации и биотестирования токсичности сточных вод в зависимости от технологических режимов (мощностях) работы предприятий.
Задачи:
-
Выявить виды дафний, применение которых повысит эффективность биотестирования токсичности сточных вод при разных технологических режимах работы предприятий.
-
Выявить индикаторные показатели динамики жизнеспособности активного ила, предшествующей процессу его вспухания (гибели), при разных технологических режимах работы предприятий.
3. Проанализировать индикаторные эколого-морфологические показатели
этологии инфузорий, отражающие изменение среды перед вспуханием активно
го ила в сточных водах при разных технологических режимах работы предпри
ятий.
Положения, выносимые на защиту:
-
Для биотестирования токсичности сточных вод молокозаводов, мясокомбинатов и птицефабрик эффективно круглогодично применять, в качестве тест-объекта, Ceriodaphnia affinis; в зависимости от технологических режимов работы металлургических и нефтеперерабатывающих предприятий: при низкой производственной мощности – Daphnia magna, высокой – Ceriodaphnia affinis; жилищно-коммунального хозяйства, в первом варианте, эффективны оба тест-объекта, во втором – Daphnia magna.
-
Маркерными индикаторами жизнеспособности гидробионтов активного ила, отражающими его состояние перед вспуханием, является динамика численности популяции нитчатых бактерий и вида Zoogloea ramigera. Причем, в зависимости от технологического режима работы аэротенков (мощности производственной деятельности предприятия), эффективность исследования токсичности сточных вод зависит от верного выбора тест-объекта среди видового разнообразия биоты активного ила.
-
Динамика эколого-морфологических показателей этологии инфузорий активного ила (инцистирование, хемотаксис, втягивание перистомы, отрыв зо-оида от стебля) является индикаторным ответом на изменение среды, происходящим перед вспуханием активного ила, причем, показатели отличаются в зависимости от типа вспухания – гелевого или нитчатого.
Научная новизна работы. Впервые проведен анализ эффективности смены тест-объектов – дафний (Ceriodaphnia affinis Lilljeborg (далее по тексту Ceriodaphnia affinis) и Daphnia magna Straus (далее по тексту Daphnia magna)), их совместного использования, для биотестирования токсичности сточных вод
при различных технологических режимах работы предприятий; определена динамика индикаторных показателей численности популяций видового состава биоты активного ила при различных технологических режимах очистки сточных вод в аэротенках, в зависимости от мощности работы предприятий; выявлены индикаторные эколого-морфологические показатели этологии инфузорий активного ила, отражающие изменение среды перед началом его гелевого или нитчатого вспухания.
Объект исследования: показатели гидробионтов (смертность, плодовитость, динамика численности популяций) для биоиндикации и биотестирования токсичности сточных вод при различных технологических режимах (мощностях) работы предприятий; эколого-морфологические показатели этологии инфузорий, индикаторно отражающие изменение среды перед гелевым и нитчатым вспуханием активного ила.
Практическая и теоретическая значимость работы. Исследования имеют практическую значимость, так как применение полученных результатов по эффективности использования в качестве тест-объектов разных видов дафний, в зависимости от технологических режимов (мощностей) работы аэротен-ков, повысит точность проведения биотестирования токсичности сточных вод.
Для эффективности профилактических работ по предотвращению вспухания и продлению жизнеспособности активного ила в аэротенках предприятий, работающих в разных технологических режимах, значимо, в качестве индикаторных показателей использовать динамику этологических реакций инфузорий, реагирующих на изменение среды инцистированием, хемотаксисом, изменением длины тела, втягиванием перистома, отрыв зооидов от стебелька.
Теоретическая значимость работы заключается в том, что данные исследований могут быть использованы в учебном процессе в дисциплинах, связанных с биотехнологией, экологией, этологией, гидробиологией, зоологией беспозвоночных, протозоологией.
Личный вклад автора заключается в проведении производственных и лабораторных исследований стресс-реакций и адаптивных ответов гидробион-тов, используемых для биотестирования и биоиндикации токсичности среды; гидрохимическом анализе сточных вод предприятий, гидробиологическом анализе активного ила аэротенков нефтеперерабатывающего предприятия, статистической обработке результатов; анализе литературных источников; систематизации и публикации (в соавторстве) полученных материалов.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены и обсуждены на международной конференции «Актуальные проблемы естественных наук» (Новосибирск, 2011), международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Курганской ГСХА «Интеграция науки и практики – механизм развития агропромышленного комплекса» (Курган, 2014), XII Международной студенческой научной конференции «Знания молодых – будущее России» (Киров 2014); Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные и научно-технические разработки и исследования молодых учёных» (Рязань, 2016); на научно-практических конференциях профессор-
ско-преподавательского состава и аспирантов ФГБОУ ВО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева» (Рязань, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в журналах из списка рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из разделов: введение, обзор литературы, материалы и методы исследований, результаты собственных исследований, заключение, выводы, список использованной литературы. Общий объем работы 113 стр., в диссертации 8 таблиц, 11 рисунков. Список использованной литературы включает 173, в том числе 21 на иностранных языках.
Благодарности. Автор глубоко признателен за неоценимую помощь в работе своему научному руководителю – доктору биологических наук, профессору С. А. Нефедовой. За постоянную помощь и поддержку – профессору А. А. Коровушкину, сотрудникам кафедры зоотехнии и биологии ФГБОУ ВО РГА-ТУ; сотрудникам экологической лаборатории ЗАО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания» за ценные рекомендации по исследованию активного ила биологу Т. Г. Маликовой.
Биотестирование как инструмент оценки токсичности вод, дафнии в качестве тест-объектов, для биотестирования сточных вод
Е. В. Усенко (2006) сообщает, что большинство водных объектов подвергаются разнообразному антропогенному влиянию, вследствие чего возникает кризисная экологическая ситуация, которая часто является одной из причин ухудшения здоровья людей и социального напряжения в отдельных регионах. В связи с этим чрезвычайно большая потребность в информации о токсичности воды и источников загрязнения водных объектов. (Усенко, 2006).
Как показывает практика, результаты гидробиологического анализа прямо или косвенно коррелируют с динамикой гидрохимического состава (режима) изучаемых водных биоценозов. В свою очередь, методы биотестирования, которые являются новшеством в современной прикладной экологии, органично объединяют в себе принципы и подходы, используемые в традиционной гидрохимии и гидробиологии (Никифоров, 2011).
Биотестирование – элемент инновационной системы мониторинга качества вод, включающее анализ влияния абиотических факторов в естественных, производственных и лабораторных условиях с целью установления параметров толерантности тест-объектов (Нефедова, 2011).
Ряд авторов (C. H. Walker, 2001, Т. И. Моисеенко и др, 2011, I. Twar-dovska, 2004, G. C. Butler, 1986, F. Moriarty, 1989) считают, что экотокси-кология – это новое научное направление, которое призвано обеспечить науку ключевыми знаниями о законах антропогенных преобразований природы, которые позволяют в будущем разрешить противоречия, с одной стороны – между техническим прогрессом человечества, необходимостью обеспечения его продукцией, и с другой стороны – сохранения безопасных условий существования (Walker, 2001, Моисеенко и др, 2011, Twardovska, 2004, Butler, 1986, Moriarty, 1989). L. Mee (1995), координатор BSEP, в выступлении на конференции говорил о необходимости развития токсикологических тестов. Утверждая, что после распада СССР в Грузии, России и Украине стали появляться новые стандарты в области охраны окружающей среды, а также происходит развитие методологии, основанной на различных принципах. В основе его работ была разработок стандартов и методов тестирования токсичности (Mee, 1995).
А. Н. Крайнюкова (1991) отмечает, что контроль водоотведения в нашей стране осуществлялся гидрохимическими методами при сопоставлении концентраций с предельно допустимыми концентрациями. Такие методы не всегда позволяют оценить биологическую опасность для гидро-бионтов. Совершенствуя мониторинг качества воды, необходимо применять биотестирование в оценке источников токсического загрязнения гидросферы, что позволит в интегральной форме определить опасность пол-лютантов в воде для гидробионтов (Крайнюкова, 1991).
Поиск исторических корней применения биотестирования уводит нас в период античности, когда во дворцах тиранов, опасающихся отравления, всю пищу пробовали специальные служители. В средние века эта традиция отнюдь не была забыта (Виноходов, 2007).
Биотестирование природных вод стали широко применять в научных и прикладных исследованиях с начала 80-х годов XX в., что было связано с попытками хотя бы частично заменить химический анализ вод. С конца XX в. В России биотестирование стало обязательным элементом контроля качества поверхностных вод. Показатели биотестирования природных вод были включены в перечень характеристик для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия (Ляшенко, 2012).
Постоянное увеличение разнообразия загрязняющих веществ с каждым годом усложняет химические способы анализа загрязнений, не учитываются такие явления, как синергизм, антагонизм, аддитивность. Для оценки уровня загрязненности сточной воды токсичными веществами в России, Украине, Чехословакии, США, Германии, Польше наряду с количественным химическим анализом используется биотестирование, которое следует рассматривать как проведение комплексного анализа сточной воды (Власова, 2011, Bradl, 2005).
В России развитие биотестирования положено Н. С. Строгановым (1971) и Л. А. Лесниковым (1971) которые в 80-е годы прошлого столетия обнаружили, что гидротоксикология представляет собой систему мониторинга с применением стресс-факторов, а также тест-организмов разного систематического положения, связанных в единый трофический ряд и экологических факторов (Строганов, 1971).
С 1956 года используется биотестирование качества поверхностных вод с помощью дафний методом Л. А. Лесникова, разработанным учёным в 1971 году. Острое токсическое действие растворов отдельных химических веществ, исследуемой воды или водной вытяжки из почв, осадков сточных вод и отходов на дафниях определяется по их смертности (летальности) за определенный период экспозиции. Критерием острой токсичности служит гибель 50 % и более дафний за 96 часов в исследуемой воде при условии, что в контрольном эксперименте гибель не превышает 10 % (Методика оценки влияния….,1971).
Для биотестирования качества сточных вод, поступающих в водоем после очистки, по мнению С. А. Черкашина (2001), достаточен краткосрочный лабораторный опыт в течение 5 суток (Черкашин, 2001). Об этом чётко изложено в соответствующей методике, которой принято пользоваться в аккредитованных лабораториях, там указано следующее: в краткосрочных экспериментах по выявлению острой токсичности необходимо обратить внимание на летальную концентрацию поллютантов, с учётом кратности разбавления жидкости или донных отложений и, инициирующую смертность более 50 % тест-организмов (ЛК50-96, ЛКР50-96); безвредной (не остро токсичной) концентраций поллютантов принято считать концентрацию, вызывающую гибель менее 10 % тест-объектов (БК10-96, БКР10-96). Хроническое токсическое действие сточных вод и донных отложений, определяют по смертности и плодовитости (за 24 суток) дафний или иных тест-объектов по сравнению с контрольным экспериментом. Токсичность можно считать хронической в том случае, если за исследуемый период наступает гибель более 20 % и (или) наступает «достоверное отклонение в плодовитости из числа выживших тест-организмов, по сравнению с контрольным экспериментом» (Методика определения токсичности воды…., 2007). Н. М. Калинкина (1999) выделяет два основных метода биотестирования, позволяющие определять токсичность сред графическим и табличным способом. Широко распространенный графический способ дает возможность получить лишь приблизительное значение величины среднесмертельного разбавления (СР50), характеризующее токсичность исследуемой пробы. Табличный способ, основан на табличном методе В.Б. Прозоровского (1998), и дает не только величину СР50, но и ее статистическую ошибку, что позволяет оценить точность получаемого параметра (Калинкина, 1999).
В лабораторной практике специалисты гидрологических служб отмечают случаи, когда химический анализ по своей эффективности уступает биотестированию, отражающему интегральную оценку токсичности стоков при скрининговых исследованиях (Полина, 2012 Nikunen, 1985).
М. В. Мичукова (2008) утверждает в своих исследованиях, что при оценке качества природных вод методами токсикологического анализа индикационные свойства D. magna проявляются, прежде всего, в изменении показателя – физиологическое состояние, который необходимо использовать в качестве приоритетного. Автор также экспериментально выявила новые специфические реакции дафний на действие высокой рекреационной нагрузки на водоем – поражение дафний грибком; на действие сточных вод машиностроительного комплекса – всплытие и прикрепление дафний к поверхностной пленке воды (Мичукова, 2008). Использование экспресс-методов. А также экспресс-ответов гидро-бионтов на загрязнение по мнению M. Z. Vosyliene (2007) и S. Ban (2007) может значительно снизить время на проведение анализа. Кроме того, длительные экспозиции приводят к изменению исходных физико-химических свойств и состава исследуемых проб, вследствие чего оценка качества среды может быть не всегда корректной (Vosyliene, 2007, Ban, 2007).
В. В. Толкачевой (2004) в работе «Анализ токсичности природных вод методом биотестирования» установлено, что снижение температуры увеличивает токсикорезистентность гидробионтов к важнейшему загрязнителю района исследования – нефти. Эти эксперименты показали, что при увеличении температуры (10-24 С) за двое суток токсикорезистент-ность для дафний снижалась в 3 раза, для цериодафний в 2 раза (Толкачевой, 2004).
И. А. Мартынюк (2002) в работе «Проблемы экологической безопасности пищевых добавок и определение их токсичности методом биотестирования» считает, что биотестирование на дафниях подтвердило возможность разработки экспресс – методики определения интегральной токсичности, поскольку оно обладает рядом преимуществ. Кроме высокой степени чувствительности к токсичным веществам, дафнии имеют небольшие, но достаточные размеры, не требуют сложного оборудования для культивирования и проведения экспериментов, широко распространены в природных водоемах. Поэтому оценка эффективности биотестирования с экологической точки зрения была проведена с использованием в качестве тест-объекта именно дафний.
Перспективы использования инфузорий для биотестирования сточных вод
Биотестирование на клеточно-организменном уровне начало широко применяться с конца 80-х годов ХХ века. На сегодняшний день успешно используются методы биотестирования, проводимые на естественных и модельных сообществах (Алекперо, 2006, Sladeckova, 1990).
В числе организмов, на которых проводят биотестирование, присутствуют представители подцарства простейших. История применения Protozoa в качестве тест-организмов насчитывает не одно десятилетие. В отличие от химических и физико-химических методов анализа, биотестирование на инфузориях позволяет прогнозировать интегральное воздействие изучаемого объекта на живые организмы, поскольку реакция биологической тест-системы зависит не только от отдельных токсичных соединений, содержащихся в объекте исследования, но и от их взаимодействия между собой, а также от присутствия веществ, обладающих ярко выраженным влиянием на токсичность указанных соединений. А по сравнению с биотестами на высших животных оно обладает значительными преимуществами в экономической, методической и этической сферах (Виноходов, 2007, Henerby, 1974, Sladecek, 1971).
Инфузория туфелька впервые была предложена в качестве гест-объекта Е. А. Веселовым (1969). В дальнейшем инфузории широко использовались в проведении токсикологических исследований. Э. Г. Голубкова (1978) и В. П. Рябухин (1983) убедительно показали, что интенсивность размножения и питания, деятельность сократительной вакуоли, двигательная активность инфузорий являются чувствительными показателями токсического воздействия (Гордеева, 2010).
Е. А. Моисеева (2005) считает, что актуальными являются работы по изучению влияния сточных вод сульфат-целлюлозных производств на гид-робионтов. Важнейшей задачей становится оценка токсичности сточных вод ЦБК, прошедших разные стадии очистки. Экологический подход предписывает использовать в экспериментах по биотестированию организмы разного трофического уровня, различающихся по экологическим свойствам, одноклеточные и многоклеточные формы, а также организмы на разных стадиях развития. Такой подход с использованием самых, разных представителей биоты позволяет обоснованно судить об опасности сточных вод для экосистемы водоема в целом (Моисеева, 2005).
А. А. Халилова, и др. (2010) на основании проведенных экспериментальных исследований делает следующие выводы: экспериментально показано, что ион Cr6+ оказывает токсическое действие на Paramecium caudatum, начиная с концентрации 0,3 мг/дм3, что не что не позволяет использовать данный тест-объект для определения токсического действия хрома в низких концентрациях (Халилова и др., 2010).
По данным В. А. Долгова (2015) и А. Sladeckova (1990) применение методов биологического тестирования с использованием инфузорий Tetrahymena pyriformis в сочетании с химико-аналитическими методами дает возможность более полно и достоверно оценить качество и безопасность продуктов, кормов, а также различных объектов окружающей среды, что имеет как научное, так и практическое значение (Долгова, 2015, Sladeckova, 1990).
Т. Н. Щеткина (2007) утверждает, что реакция инфузорий Tetra-hymena pyriformis и Paramecium caudatum на присутствие экотоксикантов проявляется в достоверном ингибировании их подвижности и уменьшении численности. Выявлено наличие высокой корреляционной зависимости (г = от – 0,85 до 0,97) между содержанием экотоксикантов и коэффициентом выживаемости инфузорий. А также установлено, что инфузории Tetra-hymena pyriformis и Paramecium caudatum могут быть использованы для биотестирования объектов окружающей среды, загрязненной тяжелыми металлами. При этом отмечено, что Paramecium caudatum более чувствительна к повышенному содержанию ионов меди, никеля и кадмия, a Tetrahymena pyriformis – к ионам свинца и цинка (Щеткина, 2007).
По мнению Е. В. Захарикова (2006) тест-объекты инфузория Paramecium caudatum и хлорелла Chlorella vulgaris Beijer могут быть использованы в качестве интегральных показателей при оценке экологического благополучия природной среды в районах нефтедобычи. Результаты биотестирования (тест-объект Paramecium caudatum) поверхностных и грунтовых вод имеют статистически значимую корреляционную взаимосвязь с данными физико-химических анализов четырнадцати показателей качества этих объектов (рН, КВВ, сухой остаток, УЭП, БПК5, Pb, Zn, Mn, Fe, NH4+, Р043\ S042", СГ, нефтепродукты) (Захариков, 2006).
А. В. Приходько (2009) считает, что углеводородные пленки и эмульсии нефтепродуктов оказывают различное влияние на инфузории: пленки обволакивают клетки, закупоривают выделительные поры сократительных вакуолей, в результате чего сократительные вакуоли увеличиваются в размерах до тех пор, пока оболочка клеток не разорвется. При воздействии эмульсии на инфузории происходит фагоцитирование нефтепродуктов, клетки замедляют движение, останавливаются и медленно разрушаются. А также популяции инфузорий, обитающие в сточных водах очистных сооружений более устойчивы к воздействию нефтепродуктов, чем пресноводные виды, что обусловлено морфо-экологической эволюцией, происходящей под воздействием загрязняющих веществ, содержащихся в сточных водах.
В результате у цилиат появляются новые морфо-экологические признаки, обеспечивающие внутривидовой полиморфизм (Приходько, 2009).
И. В. Самохиным (2011) усовершенствованы методы биотестирования с использованием прибора «Биотестер», что позволило расширить его функциональные возможности и определять не только хемотаксис инфузорий, но и их ростовую реакцию. Предложенные методические подходы дают возможность применять данный прибор, как для оценки токсичности различных объектов, так и для определения биологической ценности продуктов и кормов. Разработан комбинированный метод определения токсичности с помощью инфузорий тетрахимен, заключающийся в одновременном тестировании нативных продуктов в водной среде и их ацетоновых экстрактов. При этом чувствительность анализа и его информативность повышается в среднем на 25-60 % в зависимости от исследуемого субстрата (Самохин, 2011).
По данным А. Д. Щавелевой (2004) для разных видов цилиат нефть отличается по степени токсичности. Более токсично нефтяное загрязнение для популяции инфузорий Coleps hirtus (гибель 100 % клеток происходит на 15 сутки экспозиции), менее - для популяции Paramecium caudatum (56 сутки). Установлено, что низкие концентрации биологически активных веществ (фитонцидов – 0,5 и 1%) и токсикантов [нефти – 1 мл/л (Stentor polymorphus, Coleps hirtus); ОД мл/л (Spirostomum minus, Paramecium caudatum); 0,5 мл/л (Coleps hirtus, Paramecium caudatum); 0,05-0,001 мл/л (Stentor polymorphus, Paramecium caudatum)] оказывают стимулирующее действие в течение разного периода времени (фитонциды – 97 сут.; нефть – 6-9 сут.) на жизнедеятельность инфузорий, используемых в эксперименте (Щавелева, 2004).
Е. В. Жирнова (2003) установила, что наблюдается единая тенденция сезонной динамики численности кругоресничных инфузорий в разных водоемах. Выделяются два максимума численности: начало и конец лета (июнь, август) и в середине лета (июль) и в начале и середине осени (сентябрь). Минимум численности приходится на зиму (Жирнова, 2003).
На сегодняшний день достаточно изучен вопрос о биоиндикационных способностях инфузорий. Однако работ по исследованию эколого-морфологических параметров этологии инфузорий в зависимости от технологических режимов работы предприятий очень мало, что делает актуальным работы этого направления.
Анализ видового разнообразия дафний для эффективного биотестирования токсичности сточных вод при разных технологических режимах работы предприятий
Одной из задач в экологических исследованиях является поиск тест-объектов, применение которых в лабораторных условиях позволит эффективно оценить токсичность сточных вод и принять необходимые меры для предотвращения загрязнения природной среды. В производственных лабораториях, для биотестирования, чаще всего, используют дафний. При проведении биотестирования токсичности одной и той же сточной воды с применением разных ракообразных в качестве тест-объектов, не всегда совпадают результаты анализа.
По нашим исследованиям, два вида ракообразных, которых используют при проведении биотестирования, а именно, Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis, не одинаково реагируют на состав сточных вод в различные технологические режимы работы предприятия. Поэтому необходимо проследить динамику их адаптивной реакции к гидрохимическому составу сточных вод и выбрать эффективный вид дафний для биотестирования токсичности среды в разные технологические режимы работы предприятий.
При биотестировании стоков с применением дафний Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis, в качестве тест-объектов, обнаружены отличия в их стресс-реакциях на изменение среды, выявлена видовая особенность к индикаторной способности разных дафний в зависимости от мощности работы нефтеперерабатывающего предприятия, определяющей технологический режим очистки сточных вод в аэротенках (таблица 1).
При анализе смертности и плодовитости двух видов дафний, обнаружена следующая тенденция: в I-ом технологическом режиме (низкая производственная мощность работы предприятия) показатель смертности у Daphnia magna увеличивается на 29 %, численность снижается на 31 %. При этом представители вида Ceriodaphnia affinis не проявляют себя, как эффективные тест-объекты, показатель смертности у них увеличивается на 2 %, плодовитость – на 0,6 %.
Во II-ом технологическом режиме (высокая производственная мощность работы предприятия), когда наблюдается превышение токсичности по содержанию аммонийных ионов до 35 ПДК, смертность Ceriodaphnia affinis в сточной воде увеличивается в среднем на 28 %, аналогичный показатель у Daphnia magna практически не меняется. В тех же условиях среды плодовитость Ceriodaphnia affinis снижается на 12 %, численность вида Daphnia magna увеличивается на 11 %.
Динамика показателя смертности Ceriodaphnia affinis, во II-ом технологическом режиме, связана с повышением уровня загрязнения сточной воды аммонийными ионами и фосфат-ионами. Технологический режим очистки вод на нефтеперерабатывающем заводе зависит от сезона года, так как в стоки примешивается коммунальная вода, снег, удобрения. Поэтому увеличение концентрации этих загрязнителей в сточной воде при данном технологическом режиме связано с внесением азотных удобрений в почву.
Тест-объект Ceriodaphnia affinis обладает высокой чувствительностью по показателям смертность и плодовитость во II-ом технологическом режиме работы нефтеперерабатывающего предприятия, именно этот вид дафний является маркерным для биотестирования токсичности сточных вод с марта по август, включительно.
Так как высокой чувствительностью по показателям смертность и плодовитость в I-ом технологическом режиме работы нефтеперерабатывающего предприятия обладают Daphnia magna, этот вид дафний является маркерным для биотестирования токсичности сточных вод с сентября по февраль включительно.
При анализе токсичности сточных вод с высоким содержанием хлорид-ионов (500 мг/дм3), что свойственно I-ому технологическому режиму работы нефтеперерабатывающего предприятия, маркерным является то, что изменения по показателям смертность и плодовитость Daphnia magna статистически достоверно отражает динамику, тогда как у Ceriodaphnia affinis эти показатели не отличаются от контроля (таблица 2).
При концентрации в стоках хлорид-ионов 200 мг/дм3 смертность Daphnia magna увеличивается на 1 %, Ceriodaphnia affinis на такую концентрацию загрязнителя не реагирует. При концентрации 300 мг/дм3 хлорид-ионов в пробе сточной воды смертность Daphnia magna увеличивается на 5 %, при 400 мг/дм3 – на 28 %. При этом у Ceriodaphnia affinis смертность увеличивается на 3 %, что свидетельствует о низкой индикаторной чувствительности этого вида гидробионтов.
При превышении ПДК по хлорид-ионам в 1,5 раза, что свойственно сточным водам в I-ом технологическом режиме, когда наблюдается низкая производственная мощность предприятия, смертность Daphnia magna увеличивается на 46 %. Этот показатель у Ceriodaphnia affinis при концентрациях от 200 до 500 мг/дм3 остается в пределах 3-4 % независимо от технологического режима.
По показателю – плодовитость, при превышении в стоках ПДК по хлорид-ионам, Daphnia magna также обладают высокой чувствительностью, по сравнению с Ceriodaphnia affinis. При концентрации 500 мг/дм3 плодовитость у Daphnia magna снижается на 50 %, у Ceriodaphnia affinis – всего на 6 %. В I-ом технологическом режиме работы предприятия, при превышении концентрации хлорид-ионов в сточных водах, Daphnia magna является маркерным тест-объектом для биотестирования.
При высокой производственной мощности нефтеперерабатывающего предприятия в сточных водах наблюдается превышение ионов аммония (таблица 3).
В сточной воде, свойственной этому технологическому режиму, смертность вида Daphnia magna обладает более низкой чувствительностью по сравнению с Ceriodaphnia affinis. Для вида Ceriodaphnia affinis концентрация аммонийных ионов в сточных водах имеет определяющее значение. Исследования показали, что при концентрации 3,5 мг/дм3 и 4,6 мг/дм3 аммонийные ионы оказывают высокое токсичное действие на ракообразных двух изучаемых видов.
В пробе с концентрацией ПДК в пределах нормы смертность вида Daphnia magna не отличается от контрольной, тогда как у Ceriodaphnia affinis этот показатель увеличивается на 6 %. В целом, процент смертности цериодафний выше, чем у Daphnia magna, что указывает на высокую чувствительность к аммонийным ионам представителей первого вида по сравнению со вторым.
По сравнению с Daphnia magnа, Ceriodaphnia affinis позволяет за более короткий срок (5 суток вместо 24) получить достоверную оценку хронической токсичности тестируемого образца воды (таблица 4).
Тест с использованием вида Ceriodaphnia affinis проявил себя как экспрессный и информативный метод оценки токсичности сточных вод и их компонентов. На 5 сутки эксперимента, смертность Ceriodaphnia affinis составляет 20 %, Daphnia magna – 0 %, что указывает на отсутствие тест реакции со стороны последней. На 10 сутки смертность рачков Ceriodaphnia affinis составляет 43 %, тогда как Daphnia magna показывает результат только на 24 сутки.
Эколого-морфологические показатели поведения инфузорий при разных технологических режимах работы предприятий
Инфузории входят в состав биоты активного ила и способны оперативно реагировать на состояние среды морфофизиологическими изменениями. Индикаторным ответом на неблагоприятные условия является количественная динамика этих одноклеточных. Прикрепленные инфузории присутствуют в биоценозе активного ила аэротенков в течение всего года, что является важным фактором при выборе их объектами для биоиндикации токсичности сточных вод.
При исследовании очистки промышленных стоков при разных технологических режимах работы нефтеперерабатывающего предприятия, в активном иле аэротенков, были обнаружены следующие виды инфузорий отряда Peritrichia: Dendrosoma radians, Epistylis chrysemydis, Epistylis plicatilis, Epistylis thienemanni, Vorticella alba, Vorticella сonvallaria, Vorti-cella submicrostoma, Carchesium batorligetiense.
Одноклеточные рода Vorticella имеют поведенческие особенности, связанные с прикрепленным образом жизни. Эти инфузории обладают морфологическими признаками (инцистирование, хемотаксис, втягивание перистомы, отрыв зооида от стебля), что отличает их от представителей других родов.
Исследования показали, что в аэротенках инфузории видов Vorticella сonvallaria, Vorticella alba, Vorticella submicrostoma, при удовлетворительном состоянии активного ила, независимо от технологического режима работы предприятия, имеют постоянную численность. Однако при изменении технологического режима работы предприятия возникает усиление антропогенного давления на биоту активного ила очистных сооружений, что периодически вызывает его гибель (вспухание). Сравнительная характеристика количественной динамики видового состава зооидов инфузорий активного ила аэротенков представлена в таблице 6.
Характеристика состава инфузорий по динамике численности зоои-дов, выявила особенности индикаторной реакции исследуемых видов этих одноклеточных, отражающих предгибельное состояние активного ила.
В сообществе активного ила при нормальной работе аэротенков, независимо от технологического режима работы предприятия, обнаружено, что вид Vorticella сonvallaria (20-22 тыс. экз./г), вид Vorticella alba (14 тыс. экз./г) и вид Vorticella submicrostoma (16-17 тыс. экз./г) имеет стабильную численность. Тогда как у видов Tokophrya quadripartita, Dendro-soma radians, Epistylis chrysemydis, Epistylis рlicatilis численность меняется в зависимости от технологических режимов. В I-ом режиме, когда низкая производственная мощность работы предприятия, прослеживается следующая динамика численности популяции вида Vorticella сonvallaria: число зооидов, перед началом гелевого вспухания, снижается на 85 %, нитчатым – 55 %. У вида Vorticella alba в период перед началом гелевого вспухания численность также снижается на 57 %, нитчатым – 43 %. У Vorticella submicrostoma обнаруживается тенденция к резкому снижению численности особей перед началом гелевого и нитчатого вспухания, на 56 и 50 % соответственно. Данная динамика численности является маркерным признаком, определяющим начало периода перед гибелью ила и требующего профилактического вмешательства для его спасения.
У вида Tokophrya quadripartita, Epistylis рlicatilis число зооидов, перед началом гелевого вспухания, увеличивается на 25 и 20 %, перед началом нитчатого снижается на 25 и 20 % соответственно.
Во II-ом технологическом режиме, когда высокая мощность работы предприятия, прослеживается та же тенденция: снижение численности одноклеточных вида Vorticella сonvallaria, Vorticella alba, Vorticella submicrostoma перед началом гелевого вспухания 91, 71, 76 % соответственно. В период перед началом нитчатого вспухания происходит снижение численности зооидов на 82, 50, 71 %.
Инфузории вида Dendrosoma radians и Epistylis chrysemydis при низкой мощности работы предприятия не информативно реагируют, для определения типа вспухания, на изменение концентрации загрязняющих веществ, перед началом гелевого вспухания количество зооидов уменьшается на 17 и 43 % соответственно, а перед началом нитчатого вспухания численность не отклоняется от нормы. При высокой производственной мощности работы предприятия, данные инфузории не имеют системной зависимости численности от условий среды.
Индикаторным показателем для проведения биоиндикации является длина тела зооидов инфузорий. Изменение размеров тела зооидов разных видов рода Vorticella индикаторно отражает условия среды в аэротенках перед началом вспухания активного ила (таблица 7).
Морфофизиологический показатель – длина тела инфузорий вида Vorticella сonvallaria биоиндикационно отражает состояние активного ила в период перед вспуханием. Данный показатель, у одноклеточных, вида Vorticella сonvallaria информативно реагирует на увеличение нагруженно-сти работы аэротенков. Длина тела зооидов вида Vorticella сonvallaria при удовлетворительной работе аэротенков составляет в среднем 305-317 мкм, при этом в течение всего года показатель стабилен.
Когда активный ил не справляется с очисткой сточных вод и возникает состояние, предшествующее его гибели, то индикаторным ответом со стороны инфузорий вида Vorticella сonvallaria в I-ом технологическом режиме, когда низкая производственная мощность работы предприятия, до начала гелевого вспухания является уменьшение длины тела на 39 %, нитчатого – на 50 %. Во II-ом технологическом режиме, когда высокая производственная мощность работы предприятия, в период перед началом геле-вого вспухания данный показатель у зооидов снижается на 34 %, нитчатого – на 55 %.
В период перед началом гелевого вспухания активного ила, вызванного воздействием токсичных сточных вод, происходит уменьшение длины тела у инфузорий вида Vorticella alba. Причем, маркерным снижением длины тела зооидов в I-ом технологическом режиме работы предприятий является динамика показателя на 37 %, во II-ом – на 43 %. При этом на увеличение концентрации загрязняющих веществ перед началом нитчатого вспухания вид Vorticella alba не реагирует изменением длины тела.
В активном иле аэротенков, в условиях I-ого технологического режима работы предприятий, длина зооидов вида Vorticella submicrostoma, в период, непосредственно предшествующий началу нитчатого вспухания, маркерным является уменьшение этого показателя на 43 %. Во II-ом технологическом режиме, в период перед началом нитчатого вспухания, размер тела инфузории уменьшается на 52 %. Во II-ом режиме размеры тела перед началом гелевого вспухания незначительно уменьшаются (в среднем на 10-19 %), что характеризует вид Vorticella submicrostoma как маркерный для нитчатого вспухания в разные технологические режимы работы предприятия. У остальных видов инфузорий активного ила нет системной зависимости длины тела от условий среды.
Анализируя зависимость динамики длины тела инфузорий от условий среды в период перед началом гибели активного ила, необходимо отметить, что зооиды вида Vorticella сonvallaria являются высоко информативными тест-объектами, по сравнению с остальными видами инфузорий отряда Peritrichia, встречающимися в активном иле аэротенков. Использование данного тест-объекта для биоиндикации условий среды дает возможность проводить мероприятия по нормализации биоценоза активного ила еще до того, как наступит вспухание активного ила.
Основные эколого-морфологические параметры этологии Рода Voricella при разной мощности работы аэротенков представлены в таблице 9.
В I-ом технологическом режиме работы предприятия в активном иле у вида Vorticella сonvallaria в период перед началом гелевого вспухания наблюдается образование цист. В аэротенках увеличивается количество зооглейных скоплений, у инфузории происходит втягивание перистома, отрыв тела от стебелька, передвижение зооида-бродяжки в благоприятную среду. Перед началом нитчатого вспухания у представителей вида Vorticel-la сonvallaria фиксируется втягивание перистома, а также происходит ци-стирование. Данные изменения в поведении являются показательными для биоиндикации, так как отражают период перед началом гелевого вспухания.