Биоэкологический мониторинг окружающей среды

Технологические и технические решения, реализованные в системе биологических испытаний, могут быть широко использованы в конкретных системах и комплексах для контроля за состоянием окружающей среды и отдельных ее блоков: атмосфера, вода, почва. Обращение к этой системе может стимулировать развитие одного из наиболее перспективных направлений в процедуре контроля – использование биологических объектов и разработка на их основе биодатчиков. При использовании биологических методов контроля наблюдение ведется за реакцией на загрязнение живого объекта, т. е. объект выступает как составная часть измерительной системы.

Возможны три различных подхода к применению биологических объектов в качестве тестовых (рис. 10.7):

1. Использование организмов, входящих в данный биогеоценоз, за состоянием которых ведется слежение (экзогенные биоиндикаторы).

 

Рис. 10.7. Методы контроля за химическим загрязнением биосферы (вариант классификации)

 

2. Использование организмов, исходно не имеющих отношения к тестируемому биогеоценозу, но вводимых туда искусственно (экзогенные биоиндикаторы).

3. Использование объектов, не имеющих отношения к данному биогеоценозу, выращенных или взятых в контролируемых условиях и применяемых в качестве чувствительных элементов прибора, контролирующего состояние среды (биодатчик).

Одной из неотложных задач охраны природы является создание мониторинга – системы непрерывного контроля за химическим загрязнением среды. В настоящее время в мониторинге предпочтение отдается физико-химическим методам контроля, позволяющим измерять концентрации компонентов или других показателей среды. Законодательно допустимый уровень загрязнения среды химическими веществами определяется предельно допустимой концентрацией (ПДК) для каждого вещества.

Однако, как правило, применение критерия ПДК не обеспечивает необходимую степень безопасности живых организмов. Биологическая активность различных веществ, проявляющаяся в их отрицательном воздействии на организм человека, может быть представлена различными типами. Поэтому к недостаткам использования ПДК в системе контроля загрязнения среды следует отнести следующие:

1. ПДК отражает токсичность только для конкретного типа организма и поэтому не является универсальным критерием безопасности вещества.

2. Реально в атмосфере присутствует в качестве загрязнения сложная смесь исходных веществ и веществ вторичного происхождения, возникающих как продукты исходных реакций. Это приводит к обесцениванию ПДК применительно к одному индивидуальному веществу: очевидно, что содержание каждого из компонентов такой смеси в концентрациях, ниже ПДК, не гарантирует ее безопасности.

3. При разработке норм допустимого содержания химических веществ в среде обычно не учитывается их накопление в конечных звеньях пищевых цепей, так как все звенья этих цепей во многих случаях точно нельзя определить. Например, если в воде находятся миллионные доли ДДТ на литр, то в конце пищевой цепи, после планктона, рачков, рыб на 1 кг веса бакланов, питающихся крупной рыбой, приходится 26,4 млн долей ДДТ.

4. Различие в метаболических превращениях поллютантов у разных организмов.

5. Дороговизна установления одной нормы ПДК. Согласно американским данным стоимость составляет около миллиона долларов. Российские авторы называли меньшие оценочные суммы, хотя тоже довольно значительные – от 43 до 200 тыс. руб.

6. Химические соединения, попав в экосистему, могут действовать на всех ее живых представителей. Это приводит к таким непредсказуемым нарушениям, которые, в конечном счете, скажутся на человеке.

7. В процессе биотрансформации возможно появление более токсичных ксенобиотиков.

Таким образом, для создания системы мероприятий, обеспечивающей безопасность людей в среде, загрязненной продуктами химической деятельности человека, необходимы: разработка научно обоснованных подходов для выбора критериев, определяющих безопасность человека и других живых компонентов биосферы, а также развитие технологических и инженерно-технических методов и техники экспресс–анализа, обеспечивающих непрерывный контроль за состоянием среды.

При проведении фундаментальных исследований система дает возможность установить корреляцию между действием определенных типов биологической активности на различных уровнях сложности живой материи и ее компонентов (организм, ткани, клетки, субклеточные структуры, биополимеры). Методологически это открывает подходы к пониманию механизмов «отрицательного» действия определенных классов ксенобиотиков и ведет к тому, чтобы сформулировать на этой основе задания на разработку защитных мероприятий.

За рубежом биологические тесты включены в качестве нормативных документов в систему оперативного контроля загрязнения окружающей среды, причем уже есть определенные достижения и в области их стандартизации (Англия, Франция, Германия, Япония, Польша и др.)

Например, в США есть несколько официальных стандартных показателей токсичности, основанных на различных биологических тестах. Так, если в исследуемой пробе воды в течение 48 ч погибает 50 % или более дафний, считается, что допустимый уровень токсичности превышен.

Попытки подобного рода предпринимались и в бывшем СССР. В 1991 г. было издано «Методическое руководство по биотестированию», в котором предлагались обязательные элементы системы оценки и контроля качества воды: биотесты на дафниях, водорослях (сценедесмус, хлорелла), рыбах (гуппи). Однако все эти приемы основывались на визуальном контроле гибели тех или иных тест-объектов.

Результаты биологического тестирования, выполненные по любой методике, представляются в виде некоторых численных показателей – одного (например, LС₅₀) или нескольких. Для получения более информативных результатов необходимо стремиться к тому, чтобы число независимых показателей, определяемых в тестовых процедурах, было как можно большим. Продемонстрировать это можно на простейших примерах. Возьмем в качестве тест-объекта дафнии и будем регистрировать только живых или погибших. Допустим, что в испытуемой пробе воды все они погибли. Значит, в реке присутствуют какие-то токсические вещества. Ничего более на основании этого теста и одного показателя сказать нельзя (т. к. концентрации поллютантов в пробе неизвестны). При известных концентрациях можно сказать что-то дополнительно, т. к. одни классы химических соединений токсичны в концентрациях более высоких, другие – в менее.

Используем, помимо дафний, другой объект – коловраток. Здесь уже возможны принципиальные различия: а) погибли дафнии, уцелели коловратки; б) погибли коловратки, уцелели дафнии; в) погибли те и другие. А нам известно, что к одним классам поллютантов более чувствительны дафнии, к другим – коловратки. Правда, случай (б) еще ни о чем не говорит: вполне вероятно, что в водоем попало большое количество поллютанта, и хотя коловратки выносят в 1000 раз большие концентрации, их это не спасло. Можно проблему решить просто – последовательно разбавить испытуемую пробу.

Например, представим относительную чувствительность в виде показателей:

А= (LС₅₀)^кол / (LС₅₀)^даф.

Теперь мы можем отнести предполагаемый поллютант к одному из условных классов токсикантов. Конечно, химическую природу соединения установить невозможно. Если известно, что коловратки выдерживают в 100 раз большие концентрации свинца, чем дафнии (А=100), а испытания проб воды дали результат А=0,001, ясно, что свинец здесь ни при чем, т. е. аварийный сброс произошел не у предприятия, в сточных водах которого содержится свинец.

Далеко не последнюю роль в этих процедурах должна играть автоматизация процесса измерений, сбора и обработки информации.

В Англии создана автоматизированная система биологического контроля качества воды с помощью рыб. В проточный аквариум помещается форель. При подаче загрязненной воды под влиянием поллютантов она ослабевает и сносится в задний отсек, где стоит фотоэлемент, возникает сигнал опасности.

В ФРГ для контроля используется нильская щука. Эта рыба имеет свойства испускать слабые электрические импульсы. В нормальных условиях их частота около 800 импульсов/мин; при отравлениях они подаются значительно реже.

В бывшем СССР также была создана установка, в которой в качестве тест-объекта используются рыбы. Эффект загрязнения регистрируется по изменению характера движения жаберных крышек. Соответствующая временная зависимость регистрируется автоматически и впоследствии регистрируется с помощью ЭВМ.

Разработан и автоматизированный индикатор контроля загрязнения водной среды на основе регистрации электрофизиологических параметров клеток харовых водорослей.

Рассмотрим вкратце суть метода и общие принципы работы подобного индикатора, позволяющего осуществлять интегральную оценку состояния окружающей среды (почва, вода) в автоматическом режиме. Вспомним, что токсические эффекты ксенобиотиков проявляются через нарушение нормального течения различных жизненных отправлений организмов, обитающих в воде или потребляющих воду в том или ином виде.

Биологические мембраны весьма чувствительны ко многим ксенобиотикам. Присутствующие в окружающей среде чужеродные соединения вызывают модификацию структурно-функциональных характеристик мембран, в результате чего происходят изменения электрических параметров клетки. На этом эффекте и основан метод электроальгологического (algae – водоросль) анализа состояния среды. Суть его сводится к следующему. Накануне отпрепарированная от таллома интериодальная клетка харовой водоросли помещается в измерительную кассету (камеру), через которую пропускается контрольный раствор (рис. 10.8, а, б).

Рис. 10.8. Схема подготовки (а), укладки тест-объекта и измерения электрических параметров (б): 1, 2, 3, 4, – отсеки камеры; 5 – камера; 6 – клетка; 7 – токовые электроды; 8 – электрометрический усилитель; 9 – стимулятор; 10 – смеситель; 11 – емкости для проб; 12 – вазелин; 13 – регистрирующие электроды (каломельные полуэлементы); 14 – самопишущий прибор; 15 – герметичная крышка; 16 – шланги для отвода жидкости; 17 – шланги для подачи раствора. Пунктиром показаны линии разреза. Сплошной линией выделен блок подачи и смены растворов

 

Регистрируются два параметра – разность электрических потенциалов (РЭП) и сопротивление (проводимость) протоплазматической мембраны. Затем через экспериментальный отсек пропускается, например, проба водной среды и регистрируются сдвиги указанных параметров от контрольной величины (рис. 10.9). По наблюдаемым величинам отклонений параметров от контрольных судят о наступивших сдвигах в компонентном составе среды. Для расширения диагностических возможностей метода использовали также показатели обратимости реакции, т. е. регистрировались величины параметров при замене испытуемой пробы на контрольный раствор (см. рис. 10.9).

 

Рис. 10.9. Схема определения параметров ΔΨ, ΔR, qΨ, qR: ΔΨ(ΔR) = Ψ(R) – ΨК(RК); qΨ (qR) = ΨК1(RК1) – ΨК(RК) или qΨ (qR) = ΨК2(RК2) – ΨК(RК)

 

Приведем пример использования электроальгологического метода в системе контроля токсичности вод различных производств (цехов) одного из химических предприятий.

В зависимости от вида производства меняется характер и время развития реакции, ее величина и направление, а также показатели обратимости. Точки, соответствующие разным разбавлениям отдельных образцов стоков, образовали компактные группы на диаграмме (ΔΨ, ΔR) (рис. 10.10, а); причем область расположения точек, относящихся к производству IV, лежит обособленно, а область сосредоточения точек, относящихся к стокам производств II и III, а также I и общего стока совпадают попарно. Используя данные обратимости реакции (q), можно дискриминировать исследуемые пробы воды. Так, на диаграмме (q_Ψ, q_R) хорошо разделяются образцы стоков, соответствующие II и III производствам.

 

 

Рис. 10.10. Результаты тестирования образцов сточных вод различных производств (I–IV) и общего стока (V) химического предприятия, представленные на диаграммах (ΔΨ, ΔR) (а) и qΨ, qR) (б). Точки соответствуют разным разбавлениям отдельных образцов стоков

 

Области, относящиеся к сточным водам I производства и общему стоку, по-прежнему перекрываются, что, вероятно, связано с преобладанием в общем стоке токсических ксенобиотиков I производства (рис. 10.10, б).

Приведенные диаграммы позволяют обнаружить наступающие изменения в составе соответствующих образцов и выявить ряд ситуаций. Например, при перемещении точек соответствующих разбавлений проб вод цеха II в квадрант + ΔΨ, + ΔR можно говорить нарушения в технологическом режиме данного цеха; появление сдвигов параметров ΔΨ, ΔR при больших разбавлениях говорит о повышении концентрации токсических ксенобиотиков; появление достоверных сдвигов в реакции клетки в образцах вод из мест сброса в водоем (общий сток после очистки) свидетельствует об неэффективной очистке или залповом сбросе и т. д.

Благодаря тому, что в качестве тест-реакции выбрана регистрация электрических характеристик клетки, оказывается возможным полностью автоматизировать управление процессами проведения испытаний, сбора и обработки получаемой информации.

Индикатор включает несколько измерительных кассет с клетками, которые образуют биоблок, блок генератора импульсов (стимулятор), блока усилителей, устройства подготовки и смены растворов, а также блока программного управления работой индикатора.

Измерительная кассета предназначена для укладки и надежного закрепления клетки водоросли, подачи и отведения необходимых растворов, установки токовых и измерительных электродов (см. рис.12.2???).

Блок усилителей состоит из идентичных независимых каналов (число которых определяется количеством тест-объектов) и обеспечивает регистрацию напряжений (разность электрических потенциалов).

Стимулятор предназначен для пропускания через токовые электроды прямоугольных импульсов, по величине которых и вызываемых ими сдвигах напряжений определяется электрическое сопротивление клетки.

Устройство подготовки и смены растворов подает их в измерительные отсеки по команде программного блока.

Программный блок обеспечивает последовательность регистрации величин электрических параметров клетки на воздействие испытуемых проб, временную последовательность включения исполнительных механизмов устройств приготовления растворов и смены режима работы, интервалы подачи и слива приготовленных проб и т. д.

Регистрируемые результаты поступают в компьютер, интерпретирующая программа производит обработку данных, которые представляются в виде соответствующих таблиц

В последние годы в качестве аналитических индикаторов предлагается использовать различные виды микроорганизмов, поскольку среди них можно выбрать штаммы, избирательно чувствительные к самым разнообразным ксенобиотикам. Наиболее удобным для использования являются споровые и кокковые микроорганизмы. Использование микроорганизмов в качестве чувствительных элементов биодатчиков позволяет получить информацию о содержании ряда ксенобиотиков с учетом процессов их трансформации в природных объектах. В качестве тест-реакций регистрируются ростовые реакции (численность клеток, динамика накопления биомассы, гибель и т. д.), ферментативные реакции (изменение ферментативной активности) и др.

В заключение отметим, что система контроля загрязнения окружающей среды с использованием биологических тест-объектов позволит дать прогностическую оценку безопасности поллютантов и разработать мероприятия по снижению воздействия химического пресса на всю биосферу и человека в частности.