CC BY
58
ГЛОБАЛЬНАЯ ЯДЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, 2013 №1(6), С.29-32
_ ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ, РАДИАЦИОННОЙ _
И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ -
УДК 574.5: 556
БИОИНДИКАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ТЕРРИТОРИИ ВОЗДЕЙСТВИЯ РОСТОВСКОЙ АЭС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
© 2013 г. О. И. Бейсуг
Волгодонский инженерно-технический институт - филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Волгодонск, Ростовская обл.
Поступила в редакцию 31.01.2013 г.
В данной работе предлагается биоиндикация, которая оценивает интенсивность метаболизма гидробиоценозов по активности некоторых ключевых ферментов, участвующих в деструкции органических веществ, в том числе и щелочной фосфатазы и неспецифических эстераз, которые осуществляют взаимосвязь водных организмов со средой обитания и являются информативными для оценки уровня загрязнённости воды соединениями азота, фосфора, нефтепродуктами, фенолами [1], тяжёлыми металлами [2, 3].
Ключевые слова: Активность щелочной фосфатазы, активность эстераз сестона, ферменты, гидрохимические показатели, экологический мониторинг.
Экологический мониторинг водных экосистем предполагает использование комплексного подхода, учитывающего уровень загрязненности химическими веществами и степень влияния загрязнения на водные организмы. Оценка состояния гидробиоценозов осуществляется по методу экологических модификаций Абакумова В.А., который основан на выявлении направленности изменений количественных показателей развития водных организмов, их видового разнообразия, а также интенсивности метаболизма. Под интенсивностью метаболизма гидробиоценозов понимается скорость процессов новообразования и разрушения органических веществ, показателем которой является первичная продукция и деструкция. Однако в настоящее время эти показатели не входят в программу гидробиологического мониторинга, вследствие технических и организационных сложностей.
Функционирование гидробиоценозов осуществляется комплексом мультиферментных систем, обеспечивающих непрерывный обмен веществом и энергией между биоценозом и средой обитания. Тяжелые металлы воздействуют на активность некоторых ферментов, выступая в зависимости от концентрации в роли ингибиторов или активаторов. В метаболизме водных биоценозов важную роль играют внеклеточные ферменты щелочная фосфатаза (КФ 3.1.3.1) и эстеразы (КФ 3.1.1.1 и КФ 3.1.1.2), гидролизующиефосфоэфирные и сложноэфирные связи органических веществ, участвуя, таким образом, в круговороте важнейших биогенных элементов - фосфора и углерода. В этой связи изменение активности названных ферментов может привести к нарушению сбалансированности биогеохимических процессов в водных экосистемах.
В исследованиях, проведенных на водных объектах страны в 80 -х и 90-х годах, установлено, что показатели активности внеклеточных эстераз (АЭ) и щелочной фосфатазы (АЩФ) сестона в целом увеличивались с повышением концентраций соединений азота, фосфора, нефтепродуктов, фенолов, а также значений показателя БПК5 [1]. Эти результаты согласуются с представлениями о повышении
©Издательство Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», 2013
интенсивности метаболизма в водных экосистемах при увеличении их загрязнения. Установлены диапазоны изменений показателей активности ферментов для водных объектов с разным уровнем трофности в период интенсивной вегетации планктонных сообществ.
С целью изучения влияния природных факторов и приоритетных загрязняющих веществ на показатели активности щелочной фосфатазы и эстераз сестона в 2006 и 2007 годах были проведены исследования в нижнем течении р. Дон. Пробы воды отбирали при проведении плановых работ по мониторингу загрязнения участка реки от г. Аксай до г. Азов совместно с Донской устьевой станцией Росгидромета. АЩФ и АЭ определяли во взвеси сестона, который получали фильтрованием проб воды объемом от 0,5 до 1,0 л через мембранный фильтр с диаметром пор 0,3 мкм, используя в качестве субстратов соответственно а -нафтилфосфат и а-нафтилацетат [1].
Метод определения активности щелочной фосфатазы экспрессен, применим в полевых условиях. Воспроизводимость метода 11%. Метод определения активности эстераз сестона прост, экспрессен, применим в полевых условиях. Воспроизводимость метода 12%. Активность щелочной фосфатазы и эстераз сестона определяли в реке Дон.
Показатели активности обоих ферментов на изученном участке реки изменялись в широком диапазоне. Значения АЩФ в период биологического лета варьировали от 0,26 до 2,26, а АЭ - от 1,52 до 5,50 мкмоль/(л-ч) а-нафтола, осенью АЩФ изменялась от 0,02 до 0,11, АЭ от 0,34 до 0,77 мкмоль/(л-ч) а-нафтола. В целом на данном участке реки показатели активности обоих ферментов в летний период превышали средние значения таковых для мезотрофных водных объектов, что может быть обусловлено загрязненностью воды. В периоды наблюдения здесь отмечены превышения ПДК по нефтепродуктам (до 16 ПДК), соединениям меди (до 14 ПДК), цинка (до 2 ПДК), ртути (до 90 ПДК), значениям БПК5 (до 2 ПДК). Наиболее высокие значения активности ферментов выявлены на участках реки, расположенных ниже сброса недостаточно очищенных вод с очистных сооружений г. Ростов-на-Дону. Установлены статистически значимые коэффициенты корреляции между активностью ферментов и некоторыми гидробиологическими и гидрохимическими показателями качества вод (табл. 1). Между общей активностью обоих ферментов и численностью и биомассой фитопланктона (Бфито) выявлены положительные коэффициенты корреляции, с численность бактериопланктона (Чбакт) - отрицательные. Эти данные свидетельствуют о преобладающем вкладе в продуцирование обоих ферментов фитопланктона.
Высокие коэффициенты корреляции выявлены также между активностью ферментов и концентрациями приоритетных загрязняющих веществ. Наиболее устойчивая корреляция для обоих ферментов наблюдалась с концентрациями меди и цинка, в особенности для удельной активности ферментов, рассчитанной на 1 мг взвешенного фосфора (АЩФ/мг Рвзв и АЭ/мг Рвзв). Эффекты активирующего и ингибирующего влияния соединений меди, цинка и ртути на активность щелочной фосфатазы и эстераз в зависимости от концентраций металлов и времени экспонирования выявлены также в модельных экспериментах [2, 3]. Повышение активности ферментов может быть связано с детоксикацией тяжелых металлов [4].
БИОИНДИКАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ
31
Таблица 1. Статистически значимые коэффициенты корреляции между активностью ферментов и некоторыми гидрохимическими и гидробиологическими показателями качества воды в р. Дон в период биологического лета а) 2006 год_
Число наблюдений Показатели активности ферментов t ° C ^э- бпк5 РО43- Си 2п Н8р Бфито Чбакт
30 АЩФ АЩФ/мг Рвзв 0,32 0,52 0,54 0,33 - 0,45 0,66 0,42 0,57 -0,38 -0,35 0,63 0,55 -0,58 -0,63
30 АЭ АЭ/мг Рвзв 0,43 0,38 0,39 - 0,39 0,54 0,40 -0,55 -0,32 0,51 -0,60 -0,43
б) 2007 год
Число наблюдений Показатели активности ферментов t ° C бпк5 РО43- Си 2п Н^взв НФПР Бфито Чбакт
20 АЩФ АЩФ/мг Рвзв -0,60 -0,60 0,62 0,46 -0,76 -0,75 0,60 0,67 0,39 0,51 0,40 0,44 0,38 0,40 0,56 0,45 -0,52 -0,44
20 АЭ АЭ/мг Рвзв 0,38 - - - -0,38 - - 0,31 -
Для оценки активирующего или ингибирующего эффектов суммарного загрязнения на отдельных станциях наблюдений в нижнем течении р. Дон необходимо установить фоновые значения показателей активности обоих ферментов для разных сезонов. Исследуемый участок реки по данным Росгидромета загрязнен на всем протяжении. В этой связи фоновые значения показателей активности ферментов (табл. 2) для Нижнего Дона изучали на участках, расположенных вдали от источников загрязнения.
Таблица 2. Фоновые значения общей и удельной активности щелочной фосфатазы и эстераз сестона Нижнего Дона для разных сезонов
Период Общая активность Удельная активность Температура
наблюдений ферментов, ферментов, воды,
мкмоль/(л-ч) а-нафтола мкмоль а-нафтола/мг Рвзв оС
АЩФ АЭ АЩФ/мг Рвзв АЭ/мг Рвзв
Весна 0,12-0,25 0,65-0,95 1,5-3,0 5-10 6 - 10
Весна-лето 0,12-0,35 1,00-3,00 2,0-3,0 10-30 >10-20
Лето* 0,30-0,55 1,50-3,00 2,0-7,0 20-40 > 20
Осень 0,04-0,10 0,35-0,80 1,0-3,0 5-25 < 16
* - период массового развития синезеленых
Данные мониторинга Нижнего Дона показали, что в период биологического лета практически на всех створах стационарной сети наблюдений Росгидромета в 2006 и 2007 годов показатели активности ферментов превышали их фоновые значения. Наименьшее число случаев отклонения ферментативных показателей от фоновых значений зарегистрировано у Ростовского и Азовского водозаборов, наибольшее -ниже сбросов очистных сооружений г. Ростова-на-Дону, где в отдельные периоды показатели АЩФ в 5-10 раз превышали фоновые величины, АЭ - в 1,5-2,5 раза. В осенний период показатели активности ферментов оказались менее информативными.
Однако, повышенный уровень активности ферментов может сохраняться длительное время и после того как концентрации загрязняющих веществ уменьшатся до фоновых значений [4]. В этой связи, повышенный уровень активности ферментов отражает не только загрязненность воды на момент отбора пробы, но и отдаленные эффекты загрязняющих веществ, что имеет чрезвычайно важное значение в условиях дискретного отбора проб, который осуществляется в мониторинге поверхностных вод суши.
Таким образом, проведенные исследования позволяют заключить, что значения АЩФ и АЭ, являясь показателями скорости гидролиза органических соединений углерода и фосфора, достаточно адекватно отражают качество воды и могут быть использованы в мониторинге поверхностных вод Цимлянского водохранилища и водоема-охладителя территории воздействия Ростовской АЭС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Предеина, Л.М. и др. Показатели активности щелочной фосфатазы и эстераз в мониторинге поверхностных вод - теоретические предпосылки и перспективы использования [Текст] / Л.М. Предеина и др. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. - 2003. - №4. - С. 88-92.
2. Предеина, Л.М. и др. Влияние ионов меди и ртути на показатели активности внеклеточных эстераз и щелочной фосфатазы в водных экосистемах [Текст] / Л.М. Предеина и др. // Биология внутренних вод. - 2006. - № 2. - С. 89-96.
3. Предеина, Л.М. и др. Влияние повышенных концентраций цинка и железа на активность внеклеточных эстераз и щелочной фосфатазы в природных и модельных пресноводных экосистемах [Текст] / Л.М. Предеина, О.И. Бейсуг, М.Н. Предеин // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. - 2006. - №7. - С. 69-81.
4. Предеина, Л.М. и др. Особенности влияния тяжелых металлов на показатели активности внеклеточных эстераз и щелочной фосфатазы в водных экосистемах [Текст] / Л.М. Предеина и др. // Научная конференция по результатам исследований в области гидрометеорологии и мониторинга загрязнения природной среды в государствах-участниках СНГ, посвященная 10-летию образования Межгосударственного совета по гидрометеорологии. Секция 5: Мониторинг загрязнения окружающей природной среды : тез. докл. на науч. конф., Санкт-Петербург, 23-26 апр. 2002 г. - СПб. : Гидрометеоиздат, 2002. - С. 119-121.
Biological indication of water ecosystems' ecological condition on the territory influenced by the Rostov NPP with the help of enzymes indicators
O.I. Beisug
Volgodonsk Engineering Technical Institute the branch of National Research Nuclear University «MEPhI», 73/94 Lenina St., Volgodonsk, Rostov region, Russia 347360 e-mail: [email protected]
Abstract - In this work we propose biological indication which determines the intensity of hydrobiocenosis metabolism by the activity of some dominant enzymes involved in the destruction of organic substances, including alkaline phosphatase and nonspecific esterases which realize the correlation between aquatic organisms and their environment. They also give much information for the evaluating the level of water pollution with nitrogen and phosphorus compounds, oil products, phenols [1], and heavy metals [2, 3].
Keywords: Alkaline phosphatase activity, activity of sestonesterases, enzymes, hydrochemical indicators, environmental monitoring.
