CC BY
318
А. А. Халилова, А. В. Яковлева, А. С. Сироткин СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ СТОЧНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ ИОНЫ ХРОМА И НИКЕЛЯ
С ПРИМЕНЕНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ БИОТЕСТ-ОБЪЕКТОВ
Ключевые слова: модельные растворы Cr6+ и Ni2+, токсичность, биотестирование, биотест-объекты.
В настоящее время для определения токсичности сточных вод, загрязненных в том числе тяжелыми металлами, применяются методы биотестирования и биоиндикации.
В данной работе рассмотрено влияние ионов металлов на тест-объекты - представителей зоопланктона Daphnia magna, Ceriodaphnia affinis, Paramecium caudatum. На основе полученных результатов построен ряд чувствительности данных тест-объектов к указанным токсикантам.
Keywords: Cr6+ and Ni2+ modelling solutions, toxicity, bioassay, biotests-objects.
Recently bioassay and bioindication methods are applied for definition of toxicity of waste waters, containing heavy metals.
The influence of metal ions Cr6+, Ni2+ on test objects - representatives of zoo-plankton Daphnia magna, Ceriodaphnia affinis, Paramecium caudatum is considered in the given work. A number of response the given test objects to specified toxicants is constructed on the basis of the received results.
В современном мире все большее внимание уделяется оценке экологического состояния и охране окружающей среды, в том числе водных ресурсов. Основным источником загрязнения водоемов являются сточные воды промышленных предприятий, а также коммунально-бытовых объектов. Наибольшую опасность представляют промышленные стоки, содержащие различные токсичные вещества. Их состав разнообразен и зависит от характера производства.
Среди прочих отраслей промышленного производства в Республике Татарстан развит комплекс предприятий тяжелой промышленности, связанных с машино- и приборостроением. Их деятельность связана с применением тяжелых и других металлов, которые становятся источником загрязнения окружающей среды и обладают высокой токсичностью [1].
Обладая высокой способностью к биоаккумуляции, тяжелые металлы быстро включаются в пищевые цепи и накапливаются в организмах видов, находящихся на высоких трофических уровнях, включая человека. По этой причине даже невысокое, по сравнению с другими поллютантами, содержание тяжелых металлов делает загрязненные водоемы непригодными для использования в различных хозяйственных и бытовых целях. На экоси-стемном уровне загрязнение тяжелыми металлами проявляется в деградации сообществ, изменении и сокращении числа видов и особей [2]. Одним из результатов таких изменений экосистем является снижение способности водоемов к самоочищению. В связи с вышеиз-
ложенным очевидна необходимость проведения постоянного мониторинга содержания тяжелых металлов в водоемах различного назначения. Возможности аналитической химии, даже при условии значительного усовершенствования существующих и создания комплекса новых методик, в проведении эффективного контроля загрязнения вод вредными веществами отнюдь не безграничны. Поэтому для оценки токсичности природных вод, промышленных сбросов, почвы, кормов и прочих объектов окружающей среды, а также новых химических веществ и внутренних сред организма человека и животных используют тесты на различных живых организмах. В связи с этим возникает объективная необходимость в разработке и применении косвенных методов, позволяющих установить присутствие в водоеме биологически опасных химических веществ на основе наблюдений и экспериментов с «живыми реагентами» - водными организмами (гидробионтами), жизнедеятельность которых нарушается в токсической среде.
На современном этапе оценки качества окружающей среды наиболее активно развивающимся направлением является биологический контроль состояния пресных вод, основанный на системах биоиндикации и биотестирования [3].
В качестве тест-объектов рекомендован широкий круг организмов, охватывающий все группы биологического сообщества [4]. Перечень наиболее широко распространенных в России биотестов, применяемых в природоохранных целях, включает методы с использованием ряда эвритопных видов: зеленых водорослей - сценедесмус (Scenedesmus quadricauda Turp. Breb.) и хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer.), ракообразных - дафний (Daphnia magna Straus.) и цериодафнии (Ceriodaphnia affinis Lilljeborg), простейших - инфузории (Paramecium caudatum Erenberg.) и немногие другие [5].
Экспериментальная часть
Объектами исследования в настоящей работе выступали культуры Paramecium caudatum, Daphnia magna и Сeriodaphnia affinis.
Для определения токсичности компонентов водных сред для описанных биотест-объектов использовались модельные растворы Cr6+ и Ni2+, приготовленные из ОгОз и из NiSO4x7H2O в диапазоне концентраций 0,01 - 10,0 мг/дмз и 0,03 - 3,0 мг/дмз соответственно.
Выбор источников металлов, а также диапазона анализируемых концентраций для приготовления растворов связан с использованием указанных веществ в производственных процессах на ОАО «Казанский оптико-механический завод» (КОМЗ). Среди прочих неорганических токсикантов ионы Ог6+ и Ni2+ доминируют в составе сточных вод ОАО «КОМЗ»; для полноты сведений о токсичности металлов в исследуемых растворах был исследован более широкий диапазон концентраций тяжёлых металлов в сравнении с их содержанием в сточных водах указанного предприятия.
Влияние ионов изучалось на основании оценки токсичности. Наблюдения и контроль гибели особей проводились в трёх повторностях.
Методика биотестирования по гибели инфузорий Paramecium caudatum
Инфузория Paramecium caudatum, выделенная из водных проб и суспензии активного ила, содержалась в пробирках с отстоянной дехлорированной водопроводной водой, в которую предварительно вносили 0,02 мл пастеризованного молока, разведённого в 20 раз той же водой. Инфузории инкубировали в диапазоне температур 24-28 0С.
Токсичность ионов тяжёлых металлов с использованием инфузорий определяли с помощью бинокулярного микроскопа МБС-9. Конструкция микроаквариума отвечала следующим условиям: размеры лунки должны позволять осмотр всего объема исследуемой пробы при 8-24-кратном увеличении, что исключает возможность ошибки при подсчете ин-
фузорий, размеры микроаквариума должны позволять использовать в качестве влажной камеры чашки Петри. Для внесения инфузорий использовали капилляры [6].
Зависимость гибели особей Paramecium caudatum от концентрации тяжёлого металла представлена в таблицах 1, 2 и на рисунке 1.
Таблица 1 - Токсичность ионов Cr6+ в растворе ОгОз для Paramecium caudatum
Концентрация Cr6+, мг/дм3 Гибель особей, %
контроль опыт
10 10 66,7
5 0 66,7
3 0 58,1
1 10 55,9
0,8 10 64,5
0,5 10 45,2
0,3 10 29
0,1 10 0
0,01 10 0
Таблица 2 - Токсичность ионов Ni2+ в растворе NiSO4 для инфузорий Paramecium caudatum
Концентрация Ni2+, мг/дм3 Гибель особей, %
контроль опыт
3 3,7 100
1,5 3,7 100
1 3,7 96,7
0,3 10 76,7
0,2 4 55,2
0,15 10 12,9
0,1 4 11,1
0,03 10 0
Хром
Никель
Логарифмический
(Хром)
Логарифмический
(Никель)
Рис. 1 - Графическая зависимость гибели особей Paramecium caudatum от концентрации ионов тяжёлых металлов
Для наглядности экспериментальные данные были аппроксимированы логарифмическими трендами, из уравнений которых видно, что ионы никеля оказывают более высокое токсическое действие. Значение величины достоверности аппроксимации, близкое к 1, позволяет надежно использовать уравнение тренда для оценки зависимости гибели Paramecium caudatum от концентрации ионов Ni2+ и Cr6+.
Анализируя полученные в ходе эксперимента данные, можно отметить, что хромат-ион оказывает токсическое действие, в концентрациях, начиная с концентрации 0,3 мг/дм3 и выше. Согласно нормативам содержания металлов в воде санитарно-бытового назначения ПДК Сг6+ составляет 0,1 мг/дм3. Из таблицы 1 видно, что в данной концентрации гибель особей равна нулю, что не позволяет рекомендовать данный тест-объект для использования с определением токсического действия хрома в низких концентрациях.
Летальной концентрацией ЛК50 ионов хрома, которая соответствует гибели 50% особей, является концентрация, приблизительно равная 0,5 мг/дм3. При дальнейшем увеличении концентрации до 5 мг/дм3 гибель особей достигала 66,7%. Это значение токсичности ионов хрома оставалось неизменным для условий экспериментальных исследований при увеличении концентрации раствора до 10 мг/дм3, что в 100 раз превышает ПДК.
Этот факт относительно невысокой токсичности растворов, приготовленных из оксида хрома (VI), может объясняться тем, что при растворении данного оксида в воде протекают следующие реакции:
СгО3 + H2O = Н2СгО4 (хромовая кислота, соли - хроматы)
или
СгО3 + H2O = Н2Сг2О7 (двухромовая кислота, соли - бихроматы)
Известно [7], что хроматы - соли несуществующей в свободном состоянии хромовой кислоты Н2СЮ4, получаемой лишь в виде водных растворов с концентрацией не выше 75%. Растворимость при 20 °С составляет 62,49% по массе, при 80 °С. - 65,79%.
В связи с тем, что исходные растворы с концентрациями, приведёнными в табл. 1, готовились в расчете на полную растворимость СЮ3, с учётом ограниченной растворимости оксида хрома (не выше 75%) концентрация ионов хрома в растворе могут быть значительно ниже расчетной.
Токсичность никеля и его соединений зависит от пути поступления в организм и растворимости. Токсичность растворимых в воде солей никеля, таких как сульфат и хлорид, примерно в 30 раз выше, чем плохо растворимых, например, оксида и сульфита. Сульфат никеля NiSO4x7H2O, использованный для приготовления растворов, хорошо растворим в воде: его растворимость составляет 101 г/100 г (200С) [8].
Ионы Ni2+ оказывают острое токсическое действие в диапазоне концентраций, начиная приблизительно с концентрации 0,2 мг/дм3 и выше. Таким образом, показано, что ЛК50 находится в диапазоне концентраций от 0,15-0,2 мг/дм3. При этом следует отметить, что ПДК никеля в питьевой воде составляет 0,1 мг/дм3.
Можно предположить, что чувствительность тест-объекта Paramecium caudatum по отношению к ионам Ni2+ больше, чем к ионам Сг6+, т.к при концентрации Ni2+, равной 1 мг/дм3, соответствующей ПДК, наблюдается гибель 11 % особей (табл. 2). Однако при этом следует отметить, что гибель особей инфузорий под действием ионов никеля незначительно превышает гибель в контрольной пробе и, таким образом, естественную и может быть не связана исключительно с токсическим действием ионов никеля.
Далее, по данным таблиц 1 и 2 следует отметить, что в сравнении с ионами хрома, ионы никеля в одних и тех же концентрациях оказывают значительно большее токсическое действие на культуру Paramecium caudatum, что может объясняться различной растворимостью исходных веществ - источников металлов.
Методика биотестирования по гибели ракообразных Daphnia magna Straus и Ceriodaphnia affinis Lilljeborg
Биотестирование на представителях зоопланктона Daphnia magna и Сeriodaphnia affinis было проведено в условиях лаборатории экологической биотехнологии Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республику Татарстан.
Основным отличием от методики биотестирования на цериодафниях заключается в сокращении времени биотестирования до 48 часов в отличие от 96 часов на дафниях. Кратковременное биотестирование позволяет определить острое токсическое действие растворов тяжёлых металлов на цериодафний по их выживаемости. Критерием токсичности является гибель 50 и более процентов цериодафний за период времени до 48 часов в тестируемой воде по сравнению с контролем [5].
В ходе исследования токсического действие ионов Ni2+ и Сг6+ на Сeriodaphnia affinis и Daphnia magna были получены экспериментальные данные, приведённые в таблице 3, 4 и 5. Динамика токсического действия ионов хрома (VI) в диапазоне концентраций от 0,5 до 5 мг/дм3 на цериодафниях в течение двух суток представлена в виде диаграммы, изображённой на рисунке 2.
Анализируя данные, полученные в результате проведенных экспериментов о токсическом действии ионов Сг6+ на Сeriodaphnia affinis, можно отметить, что в первые сутки экспозиции острое токсическое действие ионы Сг6+ оказывают в концентрации 1 мг/дм3 и выше; гибель особей в контрольной пробе при этом не отмечалась. Увеличение концентрации ионов Сг6+ до 5 мг/дм3 приводит к 100 %-ной гибели, а при концентрации
0,5 мг/дм3 гибель составляла 10% от исходного количества.
Концентрация Cr6*, мг/дм Гибель особей, %
контроль опыт
1 сутки 2 сутки
5 0 100 100
З 0 50 100
1 0 50 90
0,5 0 10 20
120
е
Ю
О
с
о
л
ч
е
ю
К
100
80
60
40
20
контроль, % гибель
1 сутки I 2 сутки опыт, % гибель
□ 5 мг/дмЗ
□ 3 мг/дмЗ
□ 1 мг/дмЗ
□ 0,5 мг/дмЗ
Время, сут.
0
6*
Рис. 2 - Динамика токсического действия Cr на Ceriodaphnia affinis
На вторые сутки гибель во всех пробах превышает 10 %, а при концентрации ионов Cr6+ З мг/дм3 достигает 100%. Значения ЛК50 лежат в диапазоне 0,5-1 мг/дм3, что коррелирует с данными, полученными при воздействии хромат-ионов на инфузории Paramecium caudatum.
Таблица 4 - Токсичность ионов N!2* в растворе NiSO4 для Ceriodaphnia affinis
■2 * Концентрация N! , мг/дм Гибель особей, %
контроль опыт
1 сутки 2 сутки
1 20 70 100
0,5 20 50 100
0,З 20 50 90
0,1 20 20 70
З97
Концентрация Ni2+, мг/дм3 Гибель особей, %
контроль опыт
0,3 20 46,7
0,2 20 33,3
0,1 20 20
Графическое представление динамики гибели цериодафний в течение двух суток в зависимости от концентраций ионов никеля в диапазоне концентраций от 0,1 до 1 мг/дм3 приведено на рис. 3.
120
100
80
Ю О о о л ч
Ю 40 1-н
60
20
□ 1 мг/дм3
□ 0,5 мг/дм3
□ 0,3 мг/дм3 0,1 мг/дм3
1 2 3
Время, сут
0
и 2+
Рис. 3 - Динамика токсического действия Ni на Ceriodaphnia affinis
2+
Ионы Ni оказывают острое токсическое действие на особи Сeriodaphnia affinis в первые сутки, начиная с концентрации 0,3 мг/дм3 и выше. Высокая величина гибели особей в контрольной пробе (20 %) может быть вызвана неблагоприятным влиянием случайных факторов культивирования (посторонние примеси, недостаточность питания и др.). Этот факт требует в дальнейшем дополнительной проверки, чтобы сделать выводы о чувствительности цериодафний по отношению к ионам никеля.
На вторые сутки ионы Ni2+ во всём диапазоне исследуемых концентраций от 0,1 до 1 мг/дм3 вызывала гибель 70% и более особей Сeriodaphnia affinis. Концентрация ионов никеля, соответствующая гибели 50 % особей (ЛК50) на вторые сутки, выявлена не была.
С целью более наглядного представления о чувствительности тест объектов к присутствию ионов Ni2+ были проведены экспериментальные исследования с использованием Daphnia magna.
Данные рис. 4 иллюстрируют гибель особей культуры Daphnia magna вследствие проявления токсичности ионами Ni2+ в диапазоне концентраций от 0,1 до 0,3 мг/дм3.
1 1 0,3 мг/л
1 1 0,2 мг/л
■ 0,1 мг/л
Линейный (0,3 мг/л)
Линейный (0,2 мг/л)
Линейный (0,1 мг/л)
2+
Рис. 4 - Динамика токсического действий Ni на Daphnia magna
Было установлено, что гибель в среднем 50 % особей наступает при концентрации
0,3 мг/дм3, а это, с некоторым приближением, соответствует диапазону ЛК50 для ионов никеля при токсическом действии на Paramecium caudatum (0,15-0,2 мг/дм3).
Таким образом, сравнивая токсичность ионов Ni2+ и Cr6+ для Сeriodaphnia affinis, следует отметить, что ионы Ni2+ также обусловливают большую гибель особей, чем ионы Cr6+ в растворах с одними и теми же концентрациями токсикантов. Этот факт может объясняться различной растворимостью исходных соединений для приготовления растворов.
Из полученных данных можно также сделать вывод о том, что Сeriodaphnia affinis более чувствительна к действию ионов Ni2+ при одних и тех же концентрациях, чем Daphnia magna, что вполне согласуется с другими литературными данными [9].
По результатам сравнительного анализа чувствительности используемых в эксперименте тест-объектов к присутствию Ni2+ в растворе с концентрацией 0,1 мг/дм3, являющейся одновременно ПДК для никеля, можно предложить собственный ряд чувствительности исследованных тест-объектов в порядке её возрастания:
Paramecium caudatum < Daphnia magna < Сeriodaphnia affinis
Большую чувствительность дафний и цериодафний по сравнению с инфузориями Paramecium caudatum можно объяснить более сложной организменной организацией представителей зоопланктона.
Заключение
На основании проведенных экспериментальных исследований следует сделать следующие выводы:
1. 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.
2. Выявлено, что в сравнении хромат-ионами ионы Ni2+ оказывают более токсическое действие на все биотест-объекты, исследованные в работе, что может объясняться недостаточной растворимостью оксида СЮ3 для приготовления растворов, и не противоречит литературным экспериментальным данным.
3. Определено, что значения ЛК50 для ионов хрома в результате воздействия на Сeriodaphnia affinis находятся в диапазоне от 0,5 до 1 мг/дм3; это коррелирует с данными, полученными при воздействии ионов Cr6+ на инфузории Paramecium caudatum.
4. Выявлено, что ионы Ni2+ во всём диапазоне исследуемых концентраций от 0,1 до 1 мг/дм3 вызывают гибель 70% и более особей Сeriodaphnia affinis, что говорит о высокой чувствительности данного тест-объекта к ионам никеля.
5. Показано, что Сeriodaphnia affinis более чувствительна к действию ионов Ni2+ в растворах одних и тех же концентраций, чем Daphnia magna, что вполне согласуется с другими литературными данными.
6. По полученным экспериментальным данным был построен следующий ряд чувствительности использованных биотест-объектов для растворов с малыми концентрациями хрома и никеля:
Paramecium caudatum< Daphnia magna< Сeriodaphnia affinis
Литература
1. XI Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии». Сборник тезисов докладов. Часть 2. - Казань: Отечество, 2010. - 65 с.
2. Эйхенбергер, Э. Взаимосвязь между необходимостью и токсичностью металлов в водных экосистемах / Э. Эйхенбергер; пер. с англ.; под ред. X. Зигеля, А. Зигель // Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. - М.: Мир, 1993.- 63 - 87 с.
3. .Семенченко, В.П. Принципы и системы биоиндикации текучих вод / В.П. Семченко. - Минск: Орех, 2004. - 125 с.
4. Филенко, О. Ф. Биологические методы в контроле качества окружающей среды / О.Ф. Филенко // Экологические системы и приборы. - 2007. - №6. - С. 18 - 20.
5. Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов. - М.: РЭФИА, НИА-Природа, 2002.
6. ФР.1.39.2006.02506; ПНД Ф Т 14.1:2:3.13-06 (ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.10-06) «Методика определения токсичности отходов, почв, осадков сточных, поверхностных и грунтовых вод методом биотестирования с использованием равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg»
7. Энциклопедия кругосвет [электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya.html, свободный. - проверено 26.01.2010.
8. Сульфат никеля [электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://www.rossibneft.ru/showpage/sprav/chem/s_dyn40.html, свободный. - проверено 4.02.2010.
9. Дятлова, Е.С. Сравнительная чувствительность ветвистоусых ракообразных к бихромату калия / Е.С. Дятлова //Экология моря. - 2001. - № 58. - С. 79-83.
© А. А. Халилова - асп. каф. промышленной биотехнологии КГТУ, [email protected]; А. В. Яковлева - магистр КГТК, [email protected]; А. С. Сироткин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной биотехнологии КГТУ, [email protected].
