Экспериментальная оценка тест-системы для исследования острой токсичности различных загрязнителей окружающей среды в лабораторных условиях

Козулина Анна Сергеевна, студентка технически оснащенной лаборатории, располагающей большим штатом специально обученного персонала. Это представляет определенные неудобства, т.к. даже первичная оценка опасных свойств загрязнителя окружающей среды выливается в весьма долгосрочное, трудоемкое и дорогостоящее мероприятие.

В свете данной проблемы нам представилось актуальным создание лабораторной тест-системы, позволяющей в короткие сроки с применением оборудования учебной лаборатории осуществить первичную оценку биологической активности загрязнителей окружающей среды любого состава. В состав предложенной нами тест-системы в качестве лабораторных тест-объектов вошли широко используемые для биотестирования организмы: Гуппи (два подвида), Катушка роговая и Физа пузырчатая [4], а также Цихлида-колибри, редко использующаяся для лабораторных исследований, но обладающая всеми необходимыми качествами тест-объекта: высокой чувствительностью к токсикантам, высокой рождаемостью, неприхотливостью к лабораторным условиям разведения.

Исследования на рыбках проводились при освещении рассеянным светом, с естественной сменой дня и ночи, концентрацией кислорода в воде не менее 4 мг/дм3 и температурой воды 25±2°C. Воду в контрольных и опытных аквариумах аэрировали с помощью микрокомпрессоров. В аквариум наливали по 10 дм3 контрольной или тестируемой воды (повторность трехкратная), в каждый аквариум помещали по 10 рыб каждого вида. Ежесуточно в каждом аквариуме подсчитывали количество выживших рыб и удаляли погибших. Погибшими считали рыб, не подающих признаков движения или дыхания в течение 5 минут после прикосновения к ним стеклянной палочкой [5].

При проведении опытов с моллюсками в экспериментальной среде поддерживалась оптимальная температура для данных видов – плюс 20±2°С. Для проведения эксперимента на выживаемость была сформирована средневозрастная половозрелая группа особей одинаковых размеров, формы и цвета раковины. Исследуемые растворы в заданных разбавлениях в объеме 15-20 мл помещались в стаканы, параллельно закладывался опыт с чистой водой (контроль). В опытные и контрольные стаканы помещались от 5 до 10 моллюсков. Наблюдение за моллюсками в первые 8 часов велись ежечасно, в дальнейшем 2-3 раза в день. Для проведения эксперимента на исследование поведенческих реакций в ванночку, наполненную исследуемым раствором, помещали 10-15 моллюсков. После прикрепления группы моллюсков (6 штук) к одной из стенок ванночки, остальные особи извлекались из чашки, а в 3 см от противоположной стенки аккуратно помещалась гранула корма. Засекалось время, и фиксировался момент достижения каждого моллюска гранулы корма. Эксперимент заканчивался при достижении корма всеми особями.

В качестве исследуемых тест-параметров выступали изменение окраски, изменение частоты дыхания, поведенческие реакции, выживаемость организмов. Кроме того, тест-система, включающая разные виды гидробионтов, позволила нам определить класс опасности токсикантов и оценить их экологическую опасность в соответствии с Санитарными правилами 2.1.7.1386-03 [6] с целью прогнозирования путей дальнейшего обращения с данными загрязнителями.

В качестве объекта исследования выступали соединения тяжелых металлов (сульфат кадмия II и сульфат меди II), представляющие собой наиболее типичные и широко распространенные загрязнители окружающей среды с ярко выраженной биологической активностью. Соли металлов в растворах могут образовывать ионы, гидраты, комплексы; в свою очередь последние могут вновь диссоциировать, образуя ионы. Поэтому токсичность, прежде всего, может быть связана с действием ионов и со свойствами атомов и ионов металлов, характеризующими их активность, способность вступать в связь с протоплазмой, с отдельными ее компонентами. Современные данные говорят, что в токсическом действии солей металлов основное значение принадлежит самому металлу – катиону. Кислотный радикал может изменять этот эффект в незначительной степени (в силу изменения растворимости или степени диссоциации соли), однако имеются данные, указывающие, что степень окисления основного элемента аниона может влиять на токсичность солей [1].

В качестве исследуемых анионов был выбран SO 4 ^2-. Выбор был обусловлен тем, что сульфаты тяжелых металлов, наряду с хлоридами, наиболее распространены в природе по сравнению с другими солями. В то же время количественное содержание этих анионов строго нормировано, например, ПДК содержания в природных водах для анионов Сl составляет 300 мг/дм³, для анионов SO 4 составляет 100 мг/дм³ [7]. Исследовались разбавления 1:1000 и 1:100, соответствующие 2 и 3 классу опасности в соответствии с Санитарными правилами 2.1.7.138603 [6], так как расчетный класс опасности данных солей – второй [8].

Исследование токсичности сульфата меди II на двух подвидах Гуппи и Цихлиде-колибри не выявило межвидовой и внутривидовой чувствительности к данному веществу. У всех видов рыб в течение первых 15 минут нахождения в разбавлениях, соответствующих 2 и 3 классу опасности наблюдалось резкое снижение активности. Через час пребывания у рыб появилась полная дезориентация в пространстве, движения стали резкими и хаотичными, дыхание – слабым. Окраска поверхностных покровов Цихлид стала гораздо темнее.

Исследование токсичности сульфата кадмия II выявило идентичную картину: яркие признаки сильной интоксикации появились спустя 25 минут после начала эксперимента. Движения были хаотичными, прерывистыми, движения жабр были очень слабыми, рыбы впадали в агонию. 50% смертность в разбавлении 1:1000, позволила отнести оба соединения ко 2 классу опасности, что соответствует расчетному классу опасности [8].

Регистрация тест-откликов системы на воздействие модельных растворов солей тяжелых металлов в различных разведениях позволила охарактеризовать исследуемые соединения как обладающие ярко-выраженными токсичными свойствами по отношению к рыбам. Но активность токсиканта может быть различной по отношению к разным животным организмам, поэтому в эксперимент были введены иные гидробионты, что позволило в полной мере оценить токсичность для животных организмов и прогнозировать опасность токсикантов в конкретной эколого-гигиенической ситуации при водномиграционном пути распространения.

При проведении эксперимента по выживаемости моллюсков в водном растворе сульфатов меди и кадмия двухвалентных в разведении 1:100 (3 класс опасности [6]), наблюдалась 100% смертность тестируемого объекта в течение двух часов. При этом зачастую происходило

«выпадение ноги» у обоих видов моллюсков в растворах соли кадмия, что означало гибель особи. Изменялась окраска раковины и ноги погибших моллюсков – они становились светлее и желтее. Спустя 8 часов моллюски переносились в стакан с чистой водой, однако ни один из них не прикрепился к стенке и не открыл крышечку раковины, из чего следовало, что все особи были мертвы.

Исследование токсичности в разбавлении 1:1000 (2 класс опасности [6]) не привело к достижению 100%-ой смертности. 50% смертность была зарегистрирована через 12 часов спустя начала эксперимента. При этом выжившие моллюски после перемещения в чистую воду проявляли активность, прикреплялись к стенке стакана и интересовались кормом в эксперименте на поведенческие реакции. Особи, помещенные в растворы, приготовленные в разбавлении 1:10000 (1 класс опасности [6]) не проявляли признаков отравления в течение всего эксперимента. Все моллюски сохранили подвижность, интересовались кормом в эксперименте на поведенческие реакции. Моллюски обладают весьма интенсивным обменом веществом, а это означает, что наличие токсических веществ в воде быстро оказывает влияние на обменные процессы в их организме. При токсическом воздействии на организм они начинают меньше есть, медленнее ползать, нуждаться в большем количестве кислорода, поэтому поведение отравленных улиток заметно отличается от поведения нормальных улиток.

Полученные данные по смертности гидробионтов (моллюсков и рыб) позволили отнести сульфаты кадмия II и меди II ко 2 классу опасности, что соответствует расчетному классу опасности.

Выводы:   лабораторные  тест-системы

(гуппи Poecilia reticulata Peters, цихлиды Labidochromis caeruleus, моллюски Physa fontinalis Linn и Planorbidae) пригодны для первичной оценки экологической опасности и биологической активности загрязнителей окружающей среды, а также для экспериментального определения класса опасности веществ по сокращенной схеме в соответствии с СП 2.1.7.1386-03 [6].