Экология/1. Состояние биосферы и его влияние на здоровье человека

К. б. н., доцент Е.В. Усенко

Харьковский автомобильно-дорожный университет (Украина)

Использование биотестирования для эколого-токсикологической оценки водной среды

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 води и источников загрязнения водных объектов.

Оценить непосредственное влияние токсикантов на живые организмы позволяет биотестирование. Биотестирование дает возможность на количественном основании за счет получения конкретных цифровых данных характеризовать уровень токсичности среды для организмов. Результаты биотестирования представляют интерес не только в экологическом, но и в гигиеническом плане. С одной стороны, в гигиенических исследованиях биотестирование используется как экспресс-метод оценки токсичности водной среды. С другой стороны, гидробионты принимают активное участие в процессах природного самоочищения водоемов от загрязнения, а токсичное влияние на них химических веществ может привести к снижению самоочищающей способности водоема и к ухудшению его санитарного режима, что важно с санитарно-гигиенической точки зрения.

Проведение биотестирование регламентируется руководящим документом «Методическое руководство по биотестированию воды» [6], однако этот документ распространяется только на определение токсичности воды для гидробионтов и не позволяет оценить ее безопасность для человека.

В связи с этим в задачу исследований входило создание системы эколого-токсикологической оценки водных объектов, которая позволяет охватить разные категории вод – поверхностные и подземные, источники их токсического загрязнения (сточные воды), питьевые воды, а также учесть вред токсичных поллютантов как для гидробионтов, так и для человека.

Материалы и методы исследований

Для проведения биотестирования пробы сточных вод отбирались после очистки в местах их сброса в реки. Пробы поверхностных вод отбирали в контрольных створах рек, которые расположены на 500 м выше и ниже сточных вод. Пробы подземных вод отбирались в промышленном районе из водоносного горизонта, с глубины 30 м. Для разработки токсикологической оценки источников питьевого водоснабжения биотестировали пробы питьевых вод, которые отбирали из артезианских скважин и резервуаров.

При биотестировании проб сточных вод устанавливали наличие или отсутствие острого токсического действия на тест-объекты. В токсикологическом анализе качества поверхностных и подземных вод определяли хроническую токсичность. При оценке питьевых вод, кроме общей токсичности, проверяли возможность мутагенного влияния на организм для определения потенциальной опасности этих вод для здоровья человека.

При биотестировании сточных, поверхностных и подземных вод использовали биотесты на фотобактериях Photobacterium phosphoreum (Соhn) Ford [3], инфузориях Tetrahymena pyriformis (Ehrenberg) Schewiakoff [4], при анализе питьевых вод биотесты на мухах Drosophila melanogaster Meig [6].

Критерием токсичности в методике биотестирования на фотобактериях является снижение уровня люминесценции на 50 % за 30 минут по сравнению с контролем, на инфузориях – вероятное снижение количества клеток в культуре за 24 часа (в остром эксперименте) и 96 часов (в хроническом), на дрозофилах – вероятное отклонение от контроля частоты возникновения доминантных летальных мутаций.

Результаты исследований

Метод биотестирования на бактериях Photobacterium phosphoreum отличается экспрессностью (измерение уровня люминесценции осуществляется в течение 30 минут) которая обеспечивается использованием специального прибора – биолюминометра, а также использованием лиофилизированной культуры бактерий, что исключает этап культивирования тест-объекта, благодаря чему снижаются трудозатраты на выполнение токсикологического анализа воды [8].

В пробах води на фотобактериях определяли наличие или отсутствие токсического действия во время биотестирования. В токсичных пробах воды устанавливали уровень токсичности. Для этого определяли минимальную кратность разбавления (Кp min) пробы тестируемой воды, при которой токсическое действие не выявлялось. Чем больше значение Kp min, тем выше уровень токсичности. Результаты апробации приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты апробации методики биотестирования на Ph. phosphоreum на разных категориях вод

Вода	Количество проб		Процент токсичных проб	Kp min (наибольшие значения)
	Тестированных	Токсичных
Сточная	81	32	40	36
Поверхностная	95	11	12	5
Подземная	9	1	11	2
Питьевая	66	22	22	10

Приведенные в таблице 1 данные свидетельствуют о преимущественном выявлении с помощью этого метода токсичности в пробах сточных и питьевых вод по сравнению с пробами поверхностных и подземных вод. Можно допустить, что степень очистки сточных вод была не достаточной, на что указывает и минимальная кратность разбавления, при которой не выявлена токсичность – 36 раз. Также следует отметить высокий уровень токсичности питьевых вод, минимальная кратность разбавления которых достигала 10 раз. Частота выявления токсичности в речных и подземных водах была практически одинаковой, соответственно 12 и 11%, при этом отдельные пробы поверхностных вод имели достаточно высокий уровень токсичности: минимальная кратность разбавления, при которой не выявлялось токсическое действие, достигала 5.

Результаты апробации свидетельствуют о возможности использования метода биотестирования на бактериях Ph. phosphoreum для токсикологического анализа вод с высоким уровнем токсичности: сточных, загрязненных питьевых, поверхностных и подземных.

Преимущество метода биотестирования на инфузориях Tetrahymena pyriformis связано с особенностями тест-объекта: инфузории широко распространены в водоемах и принимают активное участие в круговороте веществ как консументы, проявляют высокую чувствительность к широкому кругу токсикантов, имеют относительно короткий цикл развития, объединяют признаки отдельной клетки и целого организма; сходство с животными по кислотно-щелочному типу пищеварения, аналогичных ферментных систем, хорошо развитых метахондрий и универсальным кодом нуклеиновых кислот [2].

С целью установления сферы применения метода биотестирования на инфузориях T. pyriformis для определения токсичности воды, а также для отработки методики в условиях биотестирования различных вод была проведена его апробация на сточных природных (поверхностных и подземных) водах и источниках питьевого водоснабжения. Результаты апробации представлены в таблице 2.

Приведенные в таблице 2 данные свидетельствуют о преимущественном обнаружении токсичности биотестом на инфузориях токсичности в пробах поверхностных и подземных вод по сравнению с пробами сточных вод. Можно предположить, что степень очистки сточных вод была недостаточно высокой, на что указывает и минимальное разбавление, при котором не обнаружилась токсичность: 2-4 раз. Возможно, в связи с этим при краткосрочном биотестировании (24 часа) проб сточных вод было выявлено только 23 % токсичных.

Таблица 2.

Результаты апробации методики биотестирования на инфузориях T. pyriformis на разных категориях вод

Вода	Количество проб		Процент токсичных проб	Максимальное разбавление
	Тестированных	Токсичных
Сточная	39	9	23	2-4
Поверхностная	104	81	77,8	2-16
Подземная	9	7	77,7	2-8
Питьевая	270	122	45	2-4

Частота обнаружения токсичности в пробах поверхностных и подземных вод была практически одинаковой – 77,7 и 77,8 %, при этом отдельные пробы поверхностных и подземных вод обладали высоким уровнем токсичности: минимальное разбавление, при котором не проявлялось токсическое действие, достигало, соответственно, 16 и 8 раз.

При биотестировании проб питьевых вод выявлено 43 % токсичных проб с высоким уровнем токсичности от 2 до 4. Результаты биотестирования проб питьевых вод свидетельствуют о потенциальной опасности исследуемых вод для здоровья человека.

Итоги биотестирования показали возможность применения метода биотестирования на T. pyriformis для определения токсичности поверхностных и подземных вод, а также источников их загрязнения. Краткосрочное биотестирование может быть использовано для выявления высокотоксичных сточных вод, в случае невысокого уровня токсичности следует продлевать время биотестирования до 96 часов.

Определение генотоксичности объектов окружающей среды с помощью методики биотестирования на мухах Drosophila melanogaster имеет по сравнению с другими тест-организмами (бактерии, растения, культура тканей) ряд преимуществ, которые обусловлены тем, что у дрозофилы можно выявить все типы мутаций. Она имеет малое число хромосом, короткий жизненный цикл, большую плодовитость; метаболическая активация веществ, поступающих в организм, такая как у человека. Данные, полученные при помощи этого тест-организма, могут быть экстраполированы на высокоорганизованных животных, включая млекопитающих, и использованы как прогноз риска загрязнения среды для здоровья человека [1].

С целью установления области использования метода биотестирования на D.melanogaster для определения генотоксичности объектов окружающей среды была проведена апробация на сточных, поверхностных и питьевых водах. В пробах воды определяли наличие или отсутствие генотоксического действия на D. melanogaster во время биотестирования. Результаты апробации приведены в таблице 3.

Таблица 3.

Результаты апробации методики биотестирования на D. melanogaster

Вода	Количество проб		% генотоксичных проб
	Тестированных	Генотоксичных
Сточная	2	2	100
Поверхностная	5	5	100
Питьевая	120	68	56

Приведенные в таблице 3 данные свидетельствуют о преимущественном выявлении с помощью апробированного метода генотоксичности проб сточной и поверхностной воды, из которых все испытанные пробы выявили генотоксичность. Высокий процент генотоксичных проб (68 %) был обнаружен при апробации на питьевых водах.

Итоги апробации свидетельствуют о возможности применения биотестирования на D. melanogaster для генотоксического анализа вод с высоким уровнем токсичности: сточных, поверхностных, загрязненных питьевых вод.

Результаты и их обсуждение

Под системой эколого-токсикологической оценки подразумевается получение интегральной качественной и количественной характеристики свойств воды по критерию ее опасности для жизнедеятельности водной флоры и фауны и отсутствию негативного влияния на теплокровных и человека.

Количество биотестов в наборе определяется требованиями, которые ставятся к эколого-токсикологической оценке вод. Если необходимо получить оперативную информацию о высокотоксичном источнике загрязнения водных объектов и в случае оценки залповых и аварийных сбросов сточных вод, можно применять биотест на фотобактериях с использованием специального прибора (биолюминометра).

При эколого-токсикологической оценке природных вод (поверхностных и подземных) для получения более полной информации об уровне экологического загрязнения водных объектов и его опасность для гидробионтов необходимо использовать биотесты на бактериях и инфузориях.

Эколого-токсикологическая оценка водных источников была бы не полной, если бы она не учитывала риск токсичного загрязнения водной среды для здоровья человека. Чтобы как можно раньше оценить опасность поллютантов, попадающих в природные воды, которые используются населением, рекомендуется использовать биотесты, которые позволяют оперативно установить потенциальную угрозу загрязнения нормальному функционированию биоты и ее способность к самоочищению воды и сохранению санитарного режима на уровне установленных нормативных требований [5].

Выводы

Результаты наших исследований по апробации биотестов на питьевых водах показали, что включение для оценки токсичности воды биотеста на инфузориях Т. pyriformis, который используется для определения биологической ценности продуктов питания и кормов [2] и биотеста на мухах D. melanogaster позволяет установить потенциальную опасность питьевой воды для здоровья человека.

Литература:

1. Бочков Н.П. Чеботарев А.Н. Наследственность человека и мутагены внешней среды. – М: Медицина, 1989. – С. 163-167.

2. Игнатьев А.Д., Исаев М.К., Долгов В.А. и др. Модификация метода биологической оценки пищевых продуктов с помощью ресничной инфузории тетрахимена пириформис // Вопросы питания. – 1980, N1. – С. 70-71.

3. КНД 211.1.4.060-97. Методика визначення токсичності води на бактеріях Photobacterium phosphoreum (Cohn) Ford. - Київ, 1997. – 15 с.

4. КНД 211.1.4.059-97. Методика визначення токсичності води на інфузоріях Tetrahymena pyriformis (Ehrenberg) Schewiakoff. –Київ,1997. – 15 с.

5. Красовский Г.Н., Авалиани С.Л., Жолдакова З.И., Косяков Г.Н. Система критериев комплексной оценки опасности химических веществ, загрязняющих окружающую среду // Гигиена и санитария. – 1992. № 9-10. – С. 23-60.

6. НД. Методика визначення генотоксичності об'єктів довкілля за частотою виникнення домінантних летальних мутацій у мух Drosophila melanogaster Mg. – Київ, 1999. – 13 с.

6. РД 118-02-90. Методическое руководство по биотестированию воды. М., 1991 – 48 с.

7. Microtox Manual. Micbics corporation. 1992, 1-5. – 476 p.