CC BY
45
Труды ИБВВ РАН, вып. 77(80), 2017
Transactions of IBIW, issue 77(80), 2017
УДК 574.583(28):591+574.64:556/551.4
ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ НА ХРОНИЧЕСКУЮ ТОКСИЧНОСТЬ СМЕСИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ CERIODAPHNIA AFFINIS LILL.
(CRUSTACEA, CLADOCERA)
И. В. Чалова, |Б. А. Флеров
Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН 152742 пос. Борок, Ярославская обл., Некоузскийр-н, e-mail: [email protected]
В хронических (7 сут) экспериментах на Сeriodaphnia affinis Lill. выявлено достоверное снижение плодовитости рачков при уменьшении жесткости контрольной водопроводной воды до 0.38 мг-экв./л. Достоверное увеличение токсичности при снижения жесткости воды показано для фенола и додецил-сульфата натрия. Тип взаимодействия пяти приоритетных загрязняющих веществ (меди, фенола; карбофоса, дизельного топлива, додецилсульфата натрия) в смеси в сублетальных концентрациях определен как антагонистический и не изменяется с уменьшением жесткости воды, использованной для приготовления растворов. При уменьшении жесткости воды до 0.38 мг экв./л отмечено увеличение токсичности смеси, что выражается в снижении плодовитости рачков, которое, однако, не имело достоверных отличий от других вариантов.
Ключевые слова: Ceriodaphnia affinis, хроническая токсичность, жесткость воды, полная смесь, медь, фенол, карбофос, додецилсульфат натрия, дизельное топливо.
ВВЕДЕНИЕ
При установлении критериев безопасности сбросов загрязненных вод возникает необходимость изучения влияния важнейших абиотических факторов среды (температуры, рН, кислородного режима, ионного состава) на токсичность для гидробионтов не только отдельных веществ, но и их сложных смесей смесей [Алабастер, Ллойд, 1984 (Alabaster, Llojd, 1984); Остроумов, 2000 (Ostroumov, 2000); Сапегин, 1998 (Sapegin, 1998)].
Жесткость воды является одним из таких показателей. В природной воде ее значения колеблются в широких пределах, изменяясь по временам года. Вода с жесткостью менее 4 ммоль/дм3 характеризуется как мягкая; от 4 до 8 - средней жесткости; от 8 до 12 - жесткая; более 12 - очень жесткая [Зенин, Белоусо-ва, 1988 (Zenin, Belousova, 1988)].
В практике полевых и экспериментальных токсикологических исследований накоплен достаточный материал по влиянию жесткости воды на токсичность тяжелых металлов для гидробионтов. С повышением жесткости воды летальное действие высоких концентраций алюминия, меди, кадмия на рыб (сеголетки семги Salmo salar и радужной форели Salmo gairdneri), а так же кадмия и меди на беспозвоночных (Daphnia magna и Diaptomus) и водоросли (Chlorella) снижается [Виноградов, 1992 (Vinogradov, 1992); Виноградов и др., 1992 (Vinogradov et al., 1992); Dutta, Kavitaj, 2001; Santore et al., 2001]. Токсическое дей-
ствие сублетальных концентраций меди, цинка и аммония на сеголетков карпа, наблюдаемое при содержании кальция 60 мг/л полностью исчезает при его увеличении до 150 мг/л [Коваленко, 2002 (Kovalenko, 2002)]. Причем защитное действие оказывает кальций, а не магний. Так, в опытах на сеголетках леща показано ослабление токсического действия ионов тяжелых металлов (Zn, Cd, Cu, Hg), а также усиление роста и устойчивости рыб к инфекционным заболеваниям при увеличении в воде концентрации кальция на фоне низкого содержания магния [Маврин и др., 1992 (Mavrin et al., 1992)]. Токсичность фенольных соединений практически не зависит от жесткости воды [Ала-бастер, Ллойд, 1984 (Alabaster, Llojd, 1984)].
В краткосрочных опытах на различных группах гидробионтов с использованием остролетальных концентраций тип взаимодействия веществ в смесях обычно определяется как аддитивный в жесткой воде и более чем аддитивный (синергический) в мягкой воде. С уменьшением концентраций загрязняющих веществ до того уровня, когда они уже не оказывают токсического действия, их аддитивный потенциал также уменьшается. В хронических экспериментах с низкими концентрациями токсикантов не выявлено достаточно четкой зависимости эффекта взаимодействия веществ в смесях от жесткости воды [Алабастер, Ллойд, 1984 (Alabaster, Llojd, 1984)].
Поэтому, несомненный интерес пред-
ставляет получение новых сведений о различиях токсичности приоритетных загрязняющих веществ и их смесей для гидробионтов в
зависимости от жесткости вод, что и стало целью нашего исследования.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Хронические эксперименты на Сeriodaphnia affmis LiШgeborg в качестве тест-объекта проводили по стандартной методике [Методика определения ..., 2001 (Metodika opredeleniya ..., 2001)]. Показателем хронической токсичности служило снижение плодовитости рачков за 7 суток по сравнению с контролем.
Для изучения влияния жесткости воды на токсичность отдельных веществ и их смесей для цериодафний использовали четыре варианта растворов: 1) на отстоянной водопроводной воде п. Борок, которая может быть отнесена к классу умеренно жестких вод (общая жесткость - 5.10 мг-экв./л); 2) на этой же воде, разведенной в 2 раза (2.44 мг-экв./л); 3) в 8 раз (0.60 мг-экв./л) и 4) в 32 раза (0.38 мг-экв./л). Все значения жесткости лежали в пределах физиологического оптимума для цериодафнии (80-250 мг/л CaCO3) [Методика определения .2001, (Metodika opredeleniya... , 2001)].
В работе исследовали растворы пяти веществ: меди (CuSO4 5Н20); фенола; карбофоса (50% эмульсия); дизельного топлива (водная вытяжка солярки - ВВС); додецилсульфата
натрия (ДДС№) - и их полную смесь. В предварительных экспериментах определены их концентрации, вызывающие гибель не более 20% животных в острых (48 час.) опытах - допустимый уровень для контроля. Они составляли для меди - 0.045; фенола -10.0; карбофоса - 0.0002; ВВС - 0.36; ДДС№ - 12.5 мг/л. Для приготовления смеси использовали все токсиканты в концентрациях, составляющих 1/5 от перечисленных выше значений.
Контролем служили: 1) показатели плодовитости цериодафний в неразбавленной отстоянной водопроводной воде; 2) 1/5 суммы показателей плодовитости в растворах отдельных веществ (эта контрольная величина рассчитана по результатам экспериментов с растворами отдельных веществ, т.к. при проведении исследований использовали модель суммации эффектов при комбинированном действии токсикантов).
Для каждого варианта проведено 3 серии экспериментов по 10 животных в каждой. Достоверность отличий экспериментальных данных определяли с использованием критерия Стьюдента [Зайцев, 1984 (Zajcev, 1984)].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В наших экспериментах (рис. 1) плодовитость цериодафний снижалась с уменьшением общей жесткости воды, однако, достоверные отличия этих значений отмечены лишь для 4-го варианта - при максимальном снижении жесткости воды до 0.38 мг-экв./л. Таким образом, подтверждается большое значение этого показателя для жизнедеятельности планктонных ракообразных. Чувствительность к уровню кальция в воде в значительной степени объясняется большой ролью этого элемента в регуляции роста и развития их эмбрионов. Процессы размножения тормозятся также исключением из среды обитания ионов магния. Низкое соотношение кальция и магния действует на жизненно важные процессы у беспозвоночных значительнее, чем низкое отношение кальция к другим катионам, например, натрию или калию [Романенко и др., 1982 ^ота-пепко et а1., 1982)].
Снижение общей жесткости воды, на которой были приготовлены растворы токсикан-
тов, в два раза (с 5.10 до 2.44 мг-экв./л) не вызывало заметного изменения плодовитости рачков ни в одном из рассматриваемых случаев (рис. 2). Дальнейшее уменьшение жесткости воды до 0.60 и 0.38 мг-экв./л приводило к усилению токсичности всех растворов, кроме дизельного топлива и как следствие снижению плодовитости цериодафний. Однако достоверное влияние уменьшения жесткости воды отмечено только для фенола и додецилсульфата натрия.
На рис. 3 представлены результаты хронических опытов по изучению влияния изменения жесткости растворов, содержащих полную смесь исследуемых токсических веществ, на плодовитость цериодафний. Установлено, что изменение жесткости воды, на которой были приготовлены контрольные и опытные растворы исследованных веществ, не вызывало достоверных изменений репродуктивной функции рачков.
10 8 6 4 2 0
Рис. 1. Влияние жесткости воды на плодовитость Ceriodaphnia affinis.
По оси X - варианты разбавления воды, по оси Y - среднее количество молоди от одной самки за 7 суток (экз.). 1 - неразбавленная вода (общая жесткость 5.10 мг-экв./л); 2 - вода разбавленная в 2 раза (2.44 мг-экв./л); 3-вода разбавленная в 8 раза (0.60 мг-экв./л);4- вода разбавленная в 32 раза (0.38 мг-экв./л).
Fig. 1. Influence of water hardness on fecundity of Ceriodaphnia affinis.
Along the X-axis - variants of water dilution, along the Y-axis - the average number of juveniles per female in 7 days (sp.). 1 - undiluted water (total hardness 5.10 mg-Eq./l); 2 - water diluted 2 times (2.44 mg-Eq./l); 3 - water is diluted 8 times (0.60 mg-Eq./l);4- water diluted 32 times (0.38 mg-Eq./l).
5.10 мг-экв./л
2.44 мг-экв./л
4 2 0
3 4 5 0.60 мг-экв./л
4 2 0
345 0.38 мг-экв./л
II
Ж
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
Рис. 2. Влияние жесткости воды на токсичность растворов отдельных веществ для Ceriodaphnia affinis. По оси X - варианты растворов, по оси Y - среднее количество молоди за 7 суток (экз.). 1 -карбофос, 2- фенол, 3- ВВС, 4 - медь, 5 - ДДС№.
Fig. 2. Influence of water hardness on the toxicity of solutions of certain substances for Ceriodaphnia affinis. Along the X-axis - options for solutions along the Y-axis - the average number of juveniles per female in 7 days (sp.). 1 - malathion, 2- phenol, 3- aqueous extract of diesel fuel, 4 - copper, 5 - SLS.
1
2
3
4
6
6
1
2
1
2
6
6
4
4
2
2
0
0
14 г
12
10
4 2
4
8
6
0
1
2
□ а шб □ в
Рис. 3. Влияние жесткости воды на токсичность смеси пяти токсических веществ (карбофос, фенол, ВВС, медь, ДДС№) для Ceriodaphnia affinis.
По оси X - варианты разбавления воды, по оси Y - среднее количество молоди за 7 суток на одну самку. 1- неразбавленная вода (общая жесткость 5.10 мг-экв./л); 2- вода разбавленная в 2 раза (2.44 мг-экв./л); 3- вода разбавленная в 8 раза (0.60 мг-экв./л); 4- вода разбавленная в 32 раза (0.38 мг-экв./л). а - среднее количество молоди в растворе с полной смесью токсикантов (экз.); б - У5 суммы показателей плодовитости в растворах отдельных токсикантов (контроль); в - среднее количество молоди в неразбавленной воде (контроль).
Fig. 3. Influence of water hardness on the toxicity mixture of five toxic substances (malathion, phenol, aqueous extract of diesel fuel, copper, SLS) for Ceriodaphnia affinis.
X-axis - water dilution; Y-axis - the average number of juveniles per female in 7 days (sp.). 1- undiluted water (total hardness 5.1 mg-Eq./l); 2- water diluted 2 times (2.44 mg-Eq./l);3- water is diluted 8 times (0.60 mg-Eq./l); 4- water diluted to 32 times (0.38 mg-Eq./l). a - the average number of juveniles in the solution with a full mixture of toxicants; b - V5 of the sum of indicators of prolific activity in solutions of individual toxicants (control); - the average number of juveniles in undiluted water (control).
Среднее количество молоди на одну самку в полной смеси токсикантов варьировало от 6.3 до 4.4 экз. и оставалось достоверно выше контрольных показателей. При взаимодействии тестируемых веществ, независимо от изменения жесткости воды, на которой были приготовлены растворы, возникает стойкий антагонистический эффект. Однако сила этого эффекта снижается с уменьшением жесткости воды и недостаточна для устранения токсичности исследуемой смеси. Показатели плодовитости во всех вариантах (кроме 0.38 мг-экв./л) достоверно ниже по сравнению с показателями плодовитости в контрольной воде.
Анализ полученных и литературных данных [Романенко, 1982 (Romanenko, 1982); Алабастер, Ллойд, 1984 (Alabaster, Llojd, 1984); Виноградов, 1992 (Vinogradov, 1992);
Виноградов и др., 1992 (Vinogradov et al., 1992); Коваленко, 2002 (Kovalenko, 2002); Остроумов, 2002 (Ostroumov, 2002); Santore et. al., 2001] позволяет говорить о том, что изменение токсичности поллютантов и их смесей при снижении жесткости воды может определяться как химическим механизмом (возможностью активного комплексообразования и снижения концентрации токсических веществ), так и биологическим фактором, то есть ролью кальция в регуляции процессов проницаемости клеточных мембран. Известно, что его высокое содержание в воде снижает скорость поступления и препятствует аккумуляции катионов в тканях гидробионтов [Сравнительная физиология ..., 1977 (Sravnitel'naya fi-ziologiya ..., 1977)].
Полученные результаты говорят о том,
что при проведении биотестирования с использованием планктонных ракообразных необходимо учитывать показатели жесткости
воды, что ранее было показано В.Ф. Коваленко для тест-объектов - рыб [Коваленко, 2002 (Ко-va1enko, 2002)].
ВЫВОДЫ
1. Достоверное снижение плодовитости Сeriodaphnia affinis выявлено при уменьшении жесткости контрольной водопроводной воды до 0.38 мг-экв./л (разбавление в 32 раза).
2. Достоверное увеличение токсичности при снижении жесткости воды показано для фенола и додецилсульфата натрия.
3. Тип взаимодействия меди, фенола; карбофоса, дизельного топлива, додецилсульфата натрия в смеси в сублетальных концентрациях определен как антагонистический.
4. С уменьшением жесткости воды, использованной для приготовления растворов, тип взаимодействия в смеси не изменяется.
5. При уменьшении жесткости воды до 0.38 мг-экв./л отмечено увеличение токсичности смеси токсикантов, что выражается в снижении плодовитости рачков, которое, однако, не имело достоверных отличий от других вариантов.
Статья подготовлена при жизни Бориса Александровича Флёрова.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Алабастер Дж., Ллойд Р. Критерии и качество воды для пресноводных рыб. М.: Легкая и пищ. пром-сть, 1984. 344 с.
Виноградов Г.А. Обмен кальция и натрия у рыб при вариации концентраций ионов алюминия, меди, кадмия, магния и водорода // Биология внутренних вод: Инф. бюлл. 1992. № 91. С. 60-69.
Виноградов Г.А., Маврин А.С., Тагунов В.Б., Ершов И.Ю. Влияние кальция, магния и тяжелых металлов на молодь леща. Условия проведения эксперимента // Биология внутренних вод: Инф. бюлл. 1992. № 91. С. 9-16.
Зайцев Г.Н. Математическая статистика в экспериментальной ботанике. М.: Наука, 1984. 424 с.
Зенин А.А., Белоусова Н.В. Гидрохимический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 240 с.
Коваленко В.Ф. К методике определения газообмена у водных животных // Гидробиологоческий журнал. 1986. Т. 22. № 4. С. 102-104.
Коваленко В.Ф. Влияние ионов кальция на газообмен у рыб в присутствии ионов тяжелых металлов и алюминия // Гидробиологоческий журнал. 2002. Т. 38. № 5. С. 66-71.
Маврин А.С., Виноградов Г.А., Лапирова Т.Б., Ершов И.Ю., Микрякова Т.Ф. Влияние кальция, магния и тяжелых металлов на молодь леща Abramis brama L. Результаты исследований //Биология внутренних вод: Инф. бюлл. 1992. № 91. С. 45-51
Методика определения токсичности воды по смертности и изменению плодовитости цериодафний. ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.6-2000. М.: Акварос, 2001. 45 с.
Остроумов С.А. Биологические эффекты поверхностно-активных веществ в связи с антропогеннми воздействиями на биосферу. М.: МАКС Пресс, 2000. 116 с.
Романенко В.Д., Арсан О.М., Соломатина В.Д. Кальций и фосфор в жизнедеятельности гидробионтов. Киев.: Наукова думка. 1982. 152 с.
Сапегин Д.Н. Анализ работ по изучению комбинированного действия пестицидов с бытовыми и производственными ядами. Симферополь: Крым. гос. мед. ун-т, 1998. 24 с.
Сравнительная физиология животных. М.: Мир, 1977. Т. 1. 608 с.
Dutta T.K., Kavitaj A. Acute toxicity of cadmium to fish Labeo rohita and copepod Diaptomus forbesi pre-exposed to CaO and KMnO4 // Chemosphere, 2001. 42. № 8. P. 955-958.
Santore R.C., Di Toro D.M., Paquin P.R., Allen H.E., Meyer J.S. Biotic ligand model of acute toxicity of metals. 2. Application to acute copper toxicity in fresh water fish and Daphnia // Environ. Toxicol. and Chem. 2001. 20. № 10. P. 2397-2402.
REFERENCES
Alabaster Dzh., Llojd R. 1984. Kriterii i kachestvo vody dlya presnovodnyh ryb [Criteria and water quality for freshwater fish]. M.: Legkaya i pishch. promyshlennost', 344 s.
Dutta T.K., Kavitaj A. 2001. Acute toxicity of cadmium to fish Labeo rohita and copepod Diaptomus forbesi pre-exposed to CaO and KMnO4 // Chemosphere. 42. № 8. P. 955-958.
Vinogradov G.A. 1992. Obmen kal'ciya i natriya u ryb pri variacii koncentracij ionov alyuminiya, medi, kadmiya, mag-niya i vodoroda [Exchange of calcium and sodium in fish at various concentrations of aluminium, copper, cadmium, magnesium and hydrogen ions] // Biol. vnutr. Vod: Inf. byull. № 91. S. 60-69. [In Russian]
Vinogradov G.A., Mavrin A.S., Tagunov V.B., Ershov I.YU. 1992. Vliyanie kal'ciya, magniya i tyazhelyh metallov na molod' leshcha. Usloviya provedeniya ehksperimenta [Effect of calcium, magnesium and heavy metals on the fingerlings of bream. The experimental conditions] // Biol. vnutr. Vod: Inf. byull. № 91. S. 9-16. [In Russian] Zajcev G.N. 1984. Matematicheskaya statistika v ehksperimental'noj botanike [Mathematical statistics in experimental
botany]. M.: Nauka, 424 s. [In Russian] Zenin A.A., Belousova N.V. Gidrohimicheskij slovar' 1988. [Hydrochemical dictionary]. L.: Gidrometeoizdat, 240 s. [In Russian]
Kovalenko V.F. 1986. K metodike opredeleniya gazoobmena u vodnyh zhivotnyh [Method of determination of gas exchange of aquatic animals] // Gidrobiol. Zhurnal. T. 22. № 4. S. 102-104. [In Russian] Kovalenko V.F. 2002. Vliyanie ionov kal'ciya na gazoobmen u ryb v prisutstvii ionov tyazhelyh metallov i alyuminiya [Effect of calcium ions on the gas exchange of fish in the presence of heavy metal ions and aluminium] // Gidrobiol. zhurnal. T. 38. № 5. S. 66-71. [In Russian] Mavrin A.S., Vinogradov G.A., Lapirova T.B., Ershov I.YU., Mikryakova T.F. 1992. Vliyanie kal'ciya, magniya i tyazhelyh metallov na molod' leshcha Abramis brama L. Rezul'taty issledovanij [Effect of calcium, magnesium and heavy metals on juveniles of bream Abramis brama L. The results of research] // Biol. vnutr. Vod: Inf. byull. № 91. S. 45-51. [In Russian]
Metodika opredeleniya toksichnosti vody po smertnosti i izmeneniyu plodovitosti ceriodafnij 2001. PND F T 14.1:2:3:4.6-2000 [Method of determination of water toxicity on change of Ceriodaphnia mortality and fertility. PND F T 14.1:2:3:4.6-2000]. M.: Akvaros, 45 s. [In Russian] Ostroumov S.A. 2000. Biologicheskie ehffekty poverhnstno-aktivnyh veshchestv v svyazi s antropogennmi vozdejstvi-yami na biosferu [Biological effects of surfactant substances in connection with anthropogenic impact on the biosphere]. M.: MAKS Press. Vol. 2. 116 s. [In Russian] Romanenko V.D., Arsan O.M., Solomatina V.D. 1982. Kal'cij i fosfor v zhiznedeyatel'nosti gidrobiontov [Calcium and
phosphorus in the vital activity of hydrobionts]. Kiev.: Naukova dumka, 152 s. [In Russian] Santore R.C., Di Toro D.M., Paquin P.R., Allen H.E., Meyer J.S. 2001. Biotic ligand model of acute toxicity of metals. 2. Application to acute copper toxicity in fresh water fish and Daphnia // Environ. Toxicol. and Chem. 20. № 10. P. 2397-2402.
Sapegin D.N. 1998. Analiz rabot po izucheniyu kombinirovannogo dejstviya pesticidov s bytovymi i proizvod-stvennymi yadami [Analysis of studies on combined action of pesticides and domestic and industrial poisons]. Simferopol': Krym. gos. med. un-t. 24 s. [In Russian] Sravnitel'naya fiziologiya zhivotnyh 1977 [Comparative physiology of animals]. M.: Mir, V. 1. 608 s. [In Russian]
THE EFFECT OF WATER HARDNESS ON CHRONIC TOXICITY OF THE POLLUTANT MIXTURE FOR CERIODAPHNIA AFFINIS LILIGEBORG
(CRUSTACEA, CLADOCERA)
I. V. Chalova, B. A. Flerov
Papanin Institute for Biology of Inland Waters Russian Academy of Sciences 152742 Borok, Russia, e-mail: [email protected]
In chronic (7 days) experiments on Сeriodaphnia affinis Lilligeborg, a significant decrease in crustacean fertility has been revealed under reduction of control water hardness up to 0.38 mg-eq./l. A significant increase in the toxicity at reduction of water hardness is shown for phenol and sodium dodecyl sulphate. The type of interaction between five priority polluting substances (copper, phenol; malation, diesel fuel, sodium dodecyl sulphate) in a mixture in sublethal concentrations was determined as antagonistic and did not change with the reduction of hardness of water used for solutions preparation. The toxicity of a mixture increased at the reduction of water hardness up to 0.38 mg-eq./l. This was manifested as the decrease in Ceriodaphnia fertility which, however, had no significant differences from other variants.
Key words: Ceriodaphnia affinis Lill., chronic toxicity, water hardness, copper, phenol; malation, diesel fuel, sodium dodecyl sulphate
