Экология /6. Экологический мониторинг.

Холстов А.В., Маслова О.В., Ефременко Е.Н.

Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля, РАН, Россия

Новый биоиндикатор для экомониторинга присутствия экотоксикантов в водных проточных системах

В настоящее время отмечается постоянный рост антропогенной нагрузки на окружающую среду, в частности, на водные объекты. В связи с этим проведение экомониторинга качества воды и состояния планктонного сообщества является проблемой первостепенной важности. Количество методов, позволяющих проводить непрерывный экомониторинг проточных водных систем в режиме реального времени, ограничено, так как визуализация наличия загрязниетля в водных средах наступает при его концентрациях, значительно превышающих предельно допустимые нормы. Одной из актуальных проблем является разработка новых методов непрерывного экомониторинга в водных проточных системах. Многочисленные исследования в данной области свидетельствуют о преимуществах экспрессных и чувствительных аналитических методов, основанных на использовании биологических индикаторов – живых организмов, способных длительное время находиться в водной среде и сохранять высокую активность при отсутствии загрязнения, однако, как только в окружающей среде появляются экотоксиканты, они сразу же дают аналитический сигнал. Среди таких биоиндикаторов эффективными для использования признаны клетки фотобактерий. Основой функционирования биосенсоров на основе этих микроорганизмов является измерение интенсивности их биолюминесценции при наличии экотоксикантов в окружающей среде [1].

Основным ограничением для использования фотобактерий в аналитических целях является невозможность применения свободных клеток для проведения анализа in situ в проточных системах.

Подходом к преодолению этих ограничений, является иммобилизация клеток с использованием разнообразных носителей. Применение клеток в иммобилизованном виде позволяет организовать их использование в проточных системах и обеспечить стабильность аналитических характеристик клеток в течение длительного периода времени [2, 3]. Носитель для иммобилизации микроорганизмов должен обладать механической прочностью и не являться токсичным для клеток.

Разработан новый высокочувствительный биоиндикатор экотоксикантов на основе клеток биолюминесцентных фотобактерий P. phosphoreum штамм КМ МГУ №311, иммобилизованных в криогель поливинилового спирта (ПВС), а также метод непрерывного экомониторинга присутствия экотоксикантов в проточных водных системах [4]. При разработке биоиндикатора уровень аналитического сигнала препаратов иммобилизованных клеток оценивался, определением величины их биолюминесценции. Были оптимизированы условия формирования биоиндикатора и его состав, показана возможность его длительного (свыше одного года) хранения без потери эффективности действия при -80ºС.

Установлены и оптимизированы следующие операционные характеристики иммобилизованных клеток фотобактерий: стабильность биолюминесцентного сигнала в проточной аналитической системе (до 180 мл/ч) – не менее 10 суток, температурные условия использования нового биоиндикатора для определения экотоксикантов - 6 ÷ 21°С, пределы обнаружения основных классов экотоксикантов составляют: ионов тяжелых металлов, производных фенола и фосфорорганических пестицидов – до 10^-6 г/л. Иммобилизованные клетки фотобактерий позволяют обнаруживать в проточной среде экотоксиканты в концентрациях на 1 – 3 порядка меньше установленных для них значений ПДК.

С помощью нового биоиндикатора на основе иммобилизованных в криогель ПВС клеток фотобактерий был проведен анализ морской воды из Каспийского моря (Азербайджан, г. Баку) и реки Кура (Азербайджан) на экотоксичность. Исследование проводилось как в проточном (12±1 °С, 90мл/ч, 30 минут), так и в дискретном (12±1 °С, 30 минут) режимах (табл. 1).

Таблица 1. Результаты оценки токсичности воды в образцах, отобранных из реки Кура и Каспийского моря (Азербайджан).

Источник пробы	№ пробы	Дискретный анализ		Анализ в проточной системе
		Ост. биолюм, %	Оценка токсич-ности	Ост. биолюм, %	Оценка токсичности
р. Кура	1	90±3	нетоксичен	89±3	нетоксичен
	2	94±3	нетоксичен	87±3	нетоксичен
Каспийское море	1	91±3	нетоксичен	78±3	нетоксичен
	2	90±3	нетоксичен	82±3	нетоксичен

Результаты, полученные при использовании разработанного биоиндикатора для определения наличия общей токсичности в образцах воды из реки Кура и Каспийского моря (табл. 1), свидетельствуют об отсутствии негативного воздействия исследованных образцов на интенсивность биолюминесценции клеток фотобактерий, что трактуется как отсутствие токсичности в исследованных образцах.

В результате сравнительного анализа характеристик нового биоиндикатора с известными ранее препаратами на основе иммобилизованных клеток показано, что пределы обнаружения экотоксикантов, обеспечиваемые иммобилизованными в криогель ПВС клетками фотобактерий на 3-6 порядков ниже, чем у известных к настоящему времени аналогов [5, 6] при определении ионов тяжелых металлов.

Литература

1. Ribo J. M., Kaiser K. L. E. Photobacterium phosphoreum toxicity bioassay. I. Test procedures and applications.// Environ. Toxicol., 1987, V. 2 Issue 3, p. 305-323

2. Nedović V., Willaert R. Applications of cell immobilization biotechnology. // Springer Pbsh. Ser.: Focus on biotecnol. 2005. V.8B. 573p

3. Nedović V., Willaert R. Fundamentals of cell immobilisation biotechnology. // Springer Pbsh. Ser.: Focus on biotechnol. 2004. V.8A. 550p

4. Ефременко Е.Н., Сенько О.В., Куц В.В., Исмаилов А.Д., Холстов А.В., Аленина К.А. Люминесцентный биокатализатор для определения экотоксикантов. // Патент РФ на изобретение №2394910, Бюл. 20 (20.07.2010)

5. Kim S. K. Lee B. S., Lee J. G., Seo H. G., Kim E. K. Continuous water toxicity monitoring using immobilized Photobacterium phosphoreum.// Biotechnol Bioproc Eng., 2003, 8, p. 147-150;

6. Gaudin P., Lebeau T., Robert J.-M.. Microbial cell immobilization for long-term storage of marine diatom Haslea ostrearia// J. Appl. Phycol., 2006, V.18, p. 175-184