Биотестирование реки Ивы и ее притоков методом измерения оптической плотности культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris beijer)

Качество и состояние вод малых рек города Перми имеют высокое значение для состояния городской среды. При этом прослеживается тенденция к снижению данных показателей [2,9]. Необходим контроль качества природных вод для успешного решения проблем рациональной эксплуатации биологических ресурсов водоемов всех типов и обеспечения человека чистой (биологически полноценной) водой [11].

Химический состав вод малых рек городов многокомпонентный и формируется в процессе протекания малых рек по территориям промышленных зон, сельскохозяйственных районов и населенных пунктов. Именно многокомпонентность состава влияет на изменения состава биоты малых рек [4].

Решение проблем необходимо начинать с оценки интенсивности биологического самоочищения водоемов и оценки степени загрязнения водных объектов. В подобном случае целесообразно использование технологий биотестирования [10].

Методы биологического тестирования и индикации чувствительнее химических методов анализа, поэтому с их помощью можно оценить синергическое действие токсикантов и биологические эффекты сверхмалых концентраций [11, 15]. Физико-химические методы анализа не всегда позволяют провести полноценную оценку зависимости токсического воздействия загрязняющего вещества от физических факторов среды [5]. Также биотестирование на основе микроводорослей более дешевый метод оценки, относительно химического анализа [13]. Водоросли способны давать большое количество популяций за короткий период времени, что также является преимуществом биомониторинга [19].

Для биотестирования водных объектов [16]: городских рек [20] и карьерных вод [17] различной степени загрязненности перспективно использование альголо-гически чистых культур микроводорослей Chlorella, Scenedesmus , Chlamydomonas и др.; из синезеленых водорослей – Microcystis phanizomenon , Anabaena ; из эвгленовых водорослей – Euglena gracilis и из диатомовых водорослей Stephanodiscus Hantzshii и т.д. [7].

При помощи ингибирования роста Chlorella vulgaris в воде анализируются такие элементы как: As, Zn и Pb [14]. Проверено воздействие на водоросли оксидов ZnO, TiO 2 , NiO [12]. Явное негативное воздействие на рост Chlorella vulgaris оказывают нефтепродукты, в частности, фенолы [18]. Помимо углеводородов данный биоиндикатор позволяет фиксировать токсичное воздействие углеродных наночастиц [21].

По изменению оптической плотности тест-куль-туры зеленой протококковой водоросли хлорелла Chlorella vulgaris Beijer в лабораторных условиях, возможно, определять острую токсичность проб поверхностных вод. Методика регистрирует различия в величине оптической плотности тест-культуры водоросли хлорелла, которая выращивается на среде, не содержащей токсических веществ и тестируемых проб, в которых эти вещества могут присутствовать [3,6].

Задачи исследования:

• 1.    Провести измерение оптической плотности культуры хлореллы в пробах, отобранных на реке Ива и ее притоках.

• 2.    Оценить изменение полученных значений оптической плотности хлореллы на протяжении всего водотока речной системы реки Ива.

• 3.    Рассчитать величину токсичной кратности разбавления и на ее основе оценить токсичность воды в пробах относительно фона и контрольной среды.

Материал и методика

Отбор проб воды для биотестирования на реке Иве и ее притоках (Большая Ива, Малая Ива, Талажанка, Уинка), осуществлялся согласно ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.1004 [8] и ГОСТ 31942-2012 [1]. Всего отобрано 15 проб: на реке Иве около истока, устья и в местах впадения притоков; на самих притоках около истока и устья. Фоновой точкой являлась точка №1, расположенная у истока реки Малая Ива, поскольку данный участок наименее подвержен антропогенному воздействию.

Биотестирование на тест-объекте Chlorella vulgaris проводилось по методике, допущенной для целей государственного экологического контроля: «Токсикологические методы контроля. Методика измерений оптической плотности культуры водоросли хлорелла ( Chlorella vulgaris Beijer) для определения токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из грунтов, почв, осадков сточных вод, отходов производства и потребления» [8].

Токсичность оценивали по двум показателям:

• 1)    Снижение на 20% и более (подавление роста) или увеличению на 30% и более (стимуляция роста) величины оптической плотности культуры водоросли, выращиваемой в течение 22 ч на тестируемой среде по сравнению с ее ростом на контрольной среде, приготовленной на дистиллированной воде;

• 2)    Ростом на 30% и более или снижением на 20% и более величины оптической плотности культуры водоросли по сравнению с фоновым показателем (проба №1 Исток р. Малая Ива).

Для каждой пробы рассчитывалась величина токсичной кратности разбавления (далее – ТКР), которая представляет собой кратность разбавления при которой токсический эффект отсутствует.

Для расчета ТКР использовалась формула (стимуляции роста 30% и выше):

ТКР = 10((lgP6-lgPM)x(lM-0,3))/(lM-I6)) + 1дРт где, Рб – величина разбавления (наибольшая), при которой индекс отклонения был ниже критерия токсичности; Рм – величина разбавления (меньшая), при которой индекс отклонения был выше критерия токсичности; Iб и Iм – величины соответствующих этим разбавлениям индексов I, выраженные в долях. В качестве Рб и Рм используется та пара наибольших разбавлений, между которыми имеет место переход индекса I величины установленного критерия токсичности.

I = (D"k - D"o)/(D"k) x 100

где, D ̅k и D ̅о – средние значения оптической плотности в контроле и в опыте, соответственно.

Отбор проб воды на биотестирование осуществлялся с 14 по 28 октября, даты отбора проб представлены в таблице 1 / table 1.

Таблица 1

Даты места отбора проб для биотестирования

Table 1

Dates of sampling sites for biotesting

Номер пробы // Sample number	Дата // Date	Место отбора проб // Sampling location
1	2022/10/14	Исток р. Малой Ивы // The source of the Malaya Iva river
2	2022/10/14	Исток р. Большой Ивы // The source of the Bolshaya Iva river
3	2022/10/14	Среднее течение р. Большой Ивы // The middle course of the Bolshaya Iva river
4	2022/10/18	Устье р. Малой Ивы // The estuary of the Malaya Iva river
5	2022/10/18	Устье р. Большой Ивы // The estuary of the Bolshaya Iva river
6	2022/10/18	Слияние рек Большой и Малой Ивы // The confluence of Bolshaya Iva river and Malaya Iva river
7	2022/10/28	Устье р. Уинки // The estuary of the Uinka river
8	2022/10/28	р. Ива до впадения р. Уинки // Iva river to the confluence of the Uinka river
9	2022/10/19	р. Ива после впадения р. Уинки // Iva river after the confluence of the Uinka river
10	2022/10/19	р. Ива до впадения р. Талажанки // Iva river to the confluence of the Talazhanka river
11	2022/10/19	р. Ива после впадения р. Талажанки // Iva river after the confluence of the Tala-zhanka river
12	2022/10/27	Устье р. Талажанки // The estuary of the Talazhanka river
13	2022/10/27	Около устья р. Ивы // Near the estuary of the Iva river
14	2022/10/27	Исток р. Талажанки // The source of the Talazhanka river
15	2022/10/28	Исток р. Уинки // The source of the Uinka river

Результаты и обсуждение

В ходе биотестирования была получена оптическая плотность хлореллы. Для этого обработано 15 проб воды, в четырех повторностях.

Изменение оптической плотности хлореллы от истока до устья реки Ива и ее притоков представлены в таблице 2 / table 2.

Амплитуда изменения оптической плотности хлореллы является отрицательной для всех рек кроме реки Уинки. Отрицательные значения свидетельствуют о том, что качество воды в реках постепенно снижается.

Самая низкая амплитуда выявлена для участка реки Ива начинающегося от впадения р. Уинка и заканчивающегося впадением р. Талажанка. От устья до истока р. Ива наблюдается наиболее сильное снижение показателя плотности хлореллы. Снижение связанно с возрастающей антропогенной нагрузкой в виде повышения плотности городской застройки берегов. В водах р. Уинке показатель плотности от истока к устью возрос на 0,038.

Среднее значения оптической плотности хлореллы в местах отбора проб на р. Иве и ее притоках представлены на рис. 1 / fig. 1.

Таблица 2

Изменение оптической плотности хлореллы в пробах реки Ива

Table 2

Changes in Chlorella optical density in Samples from the Iva River

Река // River	Оптическая плотность хлореллы (Доля снижения оптической плотности хлореллы, %) // Chlorella optical density (Percentage of reduction in optical density of chlorella, %)
	Исток // Source	Устье // Estuary	Амплитуда устье-исток // Amplitude estuarysource	Среднее // Average
Ива // Iva	0,071 (100)	0,041(58)	–0,030	0,059 (83)
Ива (часть от впадения р. Большой Ивы до впадения р. Уинки) // Iva (part of the confluence of the Bolshaya Iva river to the confluence of the Uinka river)	0,054 (76)	0,074 (104)	0,020	0,064 (90)
Ива (часть от впадения р. Уинки до впадения р. Талажанки) // Iva (part of the confluence of the Uinka to the confluence of the Talazhanka)	0,055 (77)	0,064 (90)	0,009	0,060 (84)
Ива (часть от впадения р. Талажанки до устья) // Iva (part of the confluence of the Talazhanka river to the Estuary)	0,060 (85)	0,041 (58)	–0,019	0,051 (71)
М. Ива // Malaya Iva	0,071 (100)	0,051 (70)	–0,021	0,061 (85)
Б. Ива // Bolshaya Iva	0,077 (108)	0,063 (89)	–0,014	0,071 (100)
Талажанка // Talazhanka	0,065 (92)	0,042 (59)	–0,023	0,054 (75)
Уинка // Uinka	0,024 (34)	0,062 (87)	0,038	0,043 (61)

Рис. 1. Карта средней оптической плотности хлореллы в водотоках реки Ивы Fig. 1. Map of the average optical density of chlorella in the watercourses of the Iva River

Относительно фонового значения оптической плотности (точка № 1 исток р. Малая Ива) максимальное снижение среднего значения наблюдается для р. Уинки и составляет 39%. Для реки Ивы максимальное снижение среднего значения оптической плотности зарегистрировано на участке от впадения р. Талажанки до устья и составило 71%, что на 29% меньше, чем в фоновой точке. В реке Большая Ива средняя оптическая плотность равна фоновой (0,071). Сильное снижение в точке № 9 относительно точек № 8 и № 7, может быть вызвано тем, что река Уинка в момент впадения в реку Ива протекает через трубу.

Для реки Ива фиксировалось увеличение показателя ТКР от истока к устью (3,95; 5,67) (таблица 3 / table 3), что говорит о загрязнении вод ниже по течению и соответствует среднетоксичному качеству воды.

Таблица 3

Токсичная кратность разбавления (ТКР) в пробах на анализируемых реках

The toxicity dilution factor (TDF) in the samples on the analyzed rivers

Table 3

Река // River	Величина ТКР // The value of the TDF	Качество воды // Water quality	ТКР (превышение фонового значения) // TDF (Excess of the background value)
Исток р. Малой Ивы // The source of the Malaya Iva river	3,95	Среднетоксичная // Medium toxic	1,00
Устье р. Малой Ивы // The estuary of the Malaya Iva river	4,20	Среднетоксичная // Medium toxic	1,06
Исток р. Большой Ивы // The source of the Bolshaya Iva river	13,76	Токсичная // Toxic	3,48
Среднее течение р. Большой Ивы // The middle course of the Bolshaya Iva river	14,83	Токсичная // Toxic	3,75
Устье р. Большой Ивы // The estuary of the Bolshaya Iva river	32,43	Сильнотоксичная // Highly toxic	8,21
Слияние рек Большой и Малой Ивы // The confluence of Bolshaya Iva river and Malaya Iva river	8,61	Токсичная // Toxic	2,18
р. Ива до впадения р. Уинки // Iva river to the confluence of the Uinka river	5,98	Среднетоксичная // medium toxic	1,51
Исток р. Уинки // The source of the Uinka river	9,00	Токсичная // Toxic	2,28
Устье р. Уинки // The estuary of the Uinka river	6,24	Среднетоксичная // medium toxic	1,58
р. Ива после впадения р. Уинки // Iva river after the confluence of the Uinka river	7,04	Среднетоксичная // medium toxic	1,78
р. Ива до впадения р. Талажанки // Iva river to the confluence of the Talazhanka river	6,15	Среднетоксичная // medium toxic	1,56
Исток р. Талажанки // The source of the Talazhanka river	4,14	Среднетоксичная // medium toxic	1,05
Устье р. Талажанки // The estuary of the Talazhanka river	5,31	Среднетоксичная // medium toxic	1,34
р. Ива после впадения р. Талажанки // Iva river after the confluence of the Talazhanka river	6,68	Среднетоксичная // medium toxic	1,69
Около устья р. Ивы // Near the estuary of the Iva river	5,67	Среднетоксичная // medium toxic	1,44

Максимальная величина ТКР (32,43) наблюдается в устье р. Большой Ивы (до пересечения реки ул. Самаркандской, на северо-западе от Лыжной базы "Динамо"); минимальная ТКР – в истоке р. Малой Ивы, (3,95).

Рост величины ТКР в направлении от истока к устью наблюдается для изученных водотоков кроме р. Уинки.

Дискуссия

По данным [2], полученным таким же методом, величина ТКР малых рек города Перми Данилихи и Его-шихи так же увеличивается от истока к устью. Так, ТКР в устье р. Данилихи – 38,6 (сильнотоксичное), в истоке р. Данилихи 14,1 (сильнотоксичное), в устье р. Егошихи – 42,2 (сильнотоксичное), в истоке р. Его-шихи – 33,6 (сильнотоксичное). Напротив, в р. Малой Язовой наблюдается обратная тенденция: устье – 0 (не оказывает острого токсического действия), исток – 6,7 (среднетоксичное).

Проведенное нами биотестирование также показывает, что основной тенденцией для большинства исследованных рек является снижение средней оптической плотности хлореллы и рост величины ТКР от истока к устью. Исключением из этой тенденции являются:

река Уинка и участок среднего течения реки Ивы. При этом наибольшее повышение значения оптической плотности для реки Ивы наблюдается на участке от слияния рек Малой и Большой Ивы. Улучшение качества воды может быть вызвано впадением ручьев и притоком из ключей.

Для реки Ивы величина ТКР в истоке составила 3,95 (среднетоксичное), а в устье 5,67 (среднетоксичное). Ухудшение качества воды в реке связанно с возрастающей антропогенной нагрузкой в виде повышения плотности городской застройки берегов. Также подобное ухудшение качества воды в малых реках связывают с низкой самоочищающей способностью свойственной таким водотокам [10].

Среди всех участков реки Ивы наибольшее снижение качества воды выявлено от впадения р. Талажанки до устья реки Ивы. Данный участок обладает наибольшей степенью застройки берегов, а река местами проходит через трубы под дорогами. В схожих условиях протекает река Уинка – перед впадением в реку Иву, на этом участке также наблюдается резкое снижение оптической плотности и рост величины ТКР.

Как и всем малым рекам, Иве и её притокам свойственно: малая водообеспеченность, малая глубина и низкая скорость течения – что приводит ухудшению разбавления загрязнений, поступивших от антропогенных источников. Наличие антропогенного воздействия может являться следствием отсутствия относительно строгого природоохранного статуса, установленных нормативов природопользования и категории природопользования [9].

Выводы

• 1.    Для реки Ивы выявлено снижение оптической плотности хлореллы от истока к устью. Однако для участка течения реки Ивы после слияния рек Малой и Большой Ивы наблюдается незначительный рост. Так же снижение оптической плотности свойственно всем водотокам притоков реки Ива кроме реки Уинка. Снижение оптической плотности свидетельствует об ухудшении качества воды в реках, и связано с постепенно возрастающей антропогенной нагрузкой на водосборный бассейн реки Ивы.

• 2.    При сравнении значений оптической плотности хлореллы в водотоках системы реки Ивы с фоновым значением, полученным на участке с наименьшей антропогенной нагрузкой (исток р. Малой Ивы), снижение на 20% и более наблюдалось для воды в устье всех рек кроме реки Уинки и Большой Ивы. Это свидетельствует о приобретении токсических свойств для вод всех рек кроме реки Уинки и реки Большой Ивы.

• 3.    Изменение показателя ТКР показывает увеличение токсичности для всех водотоков (кроме реки Уинки) речной системы реки Ивы по направлению от истока к устью.

Сведения об авторском вкладе

Л.С. Кучин – сбор данных, интерпретация данных, работа с иностранными источниками, введение, дискуссия, выводы, оформление статьи.

Е.А. Немчанинова – обработка данных, работа с русскоязычными источниками, введение, результаты, выводы.

Contribution of the authors

L.S. Kuchin – data collection, data interpretation, work with foreign sources, introduction, discussion, conclusions, article design.

E.A. Nemchaninova – data processing, work with Russian-language sources, introduction, results, conclusions.