Способ биоиндикации загрязнения морской воды тяжелыми металлами

Способ биоиндикации загрязнения морской воды тяжелыми металлами

Реферат

Изобретение относится к биотехнологии, а именно, к исследованию морской среды путем анализа биологических объектов, находящихся с ней в тесном взаимодействии, и касается способа определения загрязнения морской воды в частности, тяжелыми металлами. Прежде всего, представляют интерес те тяжелые металлы, которые наиболее широко и в значительных объемах используются в производственной деятельности и в результате накопления во внешней среде представляют серьезную опасность с точки зрения их биологической активности и токсических свойств. К ним относятся свинец. ртуть, кадмий, цинк, висмут, кобальт, никель, медь, олово, сурьма, ванадий, марганец, хром, молибден и мышьяк, при этом высокой способностью к биологическому концентрированию обладают Cd, Co, Hg, Pb, Ni и более умеренной Cu и Zn

Биотестирование морской среды (ее исследование посредством изучения определенных видов морских организмов) получило бурное развитие в последние 15-20 лет, когда стало очевидным, что физико-химические методы контроля, хотя и обладают достаточной чувствительностью, но не могут дать полной информации о содержании загрязняющих веществ в морской воде, а тем более предсказать экологические последствия действия токсикантов на морские организмы. Использование метода биоиндикации позволяет решать задачи биологического мониторинга, когда фактор (или факторы) антропогенного давления (влияния последствий деятельности человека, в частности загрязнение морской воды тяжелыми металлами) на биоценозы трудно или неудобно измерять непосредственно.

Требования к биологическим индикаторам сводятся к следующему: они должны представлять собой массовые и широко распространенные виды, обладающие способностью накапливать контролируемые загрязнения, сохраняя при относительно высоких концентрациях загрязнения, в том числе тяжелыми металлами, в воде свою жизнедеятельность и генетическую стабильность. Они должны быть прикрепленными или малоподвижными, обладать доступностью в плане сбора образцов, характеризоваться высокой концентрирующей способностью и корреляцией между содержанием металла в воде и в них самих.

Факторы среды, такие как свет, температура, водный режим, биогенные соли (макро- и микроэлементы), соленость и другие имеют функциональную важность для организма на основных этапах его жизненного цикла. Поэтому перед тем как выделять в качестве индикатора какой-либо вид или группу видов, необходимо собрать полевые и экспериментальные данные о лимитирующем характере рассматриваемого фактора загрязнения, в том числе оценить возможности компенсации или адаптации к этому фактору, поскольку измеряемые параметры зависят от индивидуальных характеристик организмов. Часто численные соотношения разных видов, популяций и целых сообществ служат лучшим индикатором, чем численность одного вида, так как целое лучше, чем часть, отражает общую сумму условий.

Известен способ оценки уровня загрязнения акватории, включающий измерение продукционного показателя, а именно средней массы высечки на единицу площади, у ламинариевых водорослей Laminaria bongardiana первого или начала второго года жизни и сравнение его с этим же показателем водоросли, обитающей в оптимальных условиях [пат. РФ №2182332, опубл. 10.05.2002]. Уменьшение массы высечки на единицу площади свидетельствует об увеличении загрязнения. Недостатком известного способа оценки загрязнения морской воды является необходимость использования конкретного вида водоросли, который не всегда может присутствовать в месте определения загрязнения акватории, либо просто исчезнуть вследствие высокого уровня загрязнения. Кроме того, способ не позволяет судить о характере загрязняющих веществ, обеспечивая лишь оценку комплексного загрязнения.

Наиболее близким к заявляемому является способ биоиндикации загрязнения морских вод тяжелыми металлами, включающий использование в качестве организмов-индикаторов моллюсков-обрастателей, в частности мидий Mytilus edulis [Христофорова Н.К. Биоиндикации и мониторинг загрязнения морских вод тяжелыми металлами. Л.: Наука, 1989. - 192 с.]. Мидии, собранные, например, с буев или установок для марикультуры, очищают от организмов обрастания или осадков, в течение 2 суток выдерживают в аэрируемой воде из района сбора, извлекают из них мягкие ткани (целиком либо препарируют на отдельные органы), промывают, высушивают и гомогенизируют. Усредненные (из нескольких животных) пробы минерализуют (озоляют) в автоклаве с небольшим количеством концентрированной азотной кислоты. Концентрацию тяжелых металлов определяют методом атомной адсорбции. В зависимости от поставленной задачи, указанные определения осуществляют в одном месте или в различных местах для последующего сравнения.

Недостатком известного способа является то, что при использовании мидий в качестве биоиндикатора необходимо учитывать пол особей, их размеры, сезон года, поскольку эти факторы влияют на содержание металлов в теле моллюска. Кроме того, концентрация элементов в мягких тканях мидий зависит от солености и температуры, количества пищи, потребности организма в микроэлементах, массы тела, формы нахождения металлов в воде и т.п. Сбор организмов-индикаторов привязан к стационарным сооружениям (буи, коллекторы). Предварительная обработка материала требует значительного времени.

Технической задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности способа вследствие обеспечения круглогодичного наблюдения и его упрощение за счет простоты сбора материала, отсутствия необходимости дифференциации особей по размеру, возрасту, полу.

Поставленная техническая задача решается способом определения загрязнения морских вод тяжелыми металлами путем биоиндикации, включающим определение тяжелого металла в минерализованном сухом остатке организмов обрастания, отобранных в месте предполагаемого загрязнения и в фоновых водах с естественным постоянно присутствующим содержанием определяемого металла в организмах обрастания, при этом фоновые воды выбирают в непосредственной географической близости от места предполагаемого загрязнения и о наличии загрязнения воды судят по разнице между содержанием тяжелого металла в организмах обрастания пионерного сообщества, отобранных в месте предполагаемого загрязнения и в водах с фоновым содержанием определяемого металла в этих организмах обрастания.

Способ осуществляют следующим образом.

Выставляют в море стеклянные образцы-пластины на определенной глубине (для портовых вод, как правило, эта глубина ограничивается 3-4 м) в месте предполагаемого загрязнения и в фоновой акватории (с фоновым содержанием тяжелых металлов в организмах обрастания). В качестве фоновой выбирают акваторию, не подверженную антропогенному давлению, гидрохимический режим которой, в частности, обеспечивает возможность свободного гидрообмена с открытой частью залива или бухты, и воды которой по гидрохимическим показателям соответствуют водам открытого моря. Вместе с тем, фоновая акватория должна быть максимально близкой географически к месту предполагаемого загрязнения, что определяет сходство погодно-климатических условий обитания организмов обрастания, а также близость их видового состава как количественную, так и качественную, что обеспечивает единую меру биологической оценки морских акваторий. Пластины в месте предполагаемого загрязнения и в фоновой акватории выставляют одновременно. Это условие необходимо соблюдать, поскольку содержание растворенных металлов в воде залива подвержено сезонной изменчивости и, следовательно, содержание тяжелых металлов в воде и соответственно в организмах обрастания связано не только с местом (сток рек, антропогенный сток, поступление из донных осадков и т.п.), но и со временем взятия проб. Соблюдение этих условий позволяет практически устранить все причины расхождения результатов определения содержания тяжелых металлов, кроме присутствия загрязнения.

Новым в предлагаемом способе биоиндикации загрязнений металлами является выбор в качестве объектов сравнения пионерных организмов обрастания и определение наличия загрязнения по разнице между содержанием металла в пионерных организмах обрастания, отобранных в месте предполагаемого загрязнения, и содержанием металла в пионерных организмах обрастания, отобранных в фоновых водах (фоновым содержанием).

Пионерное (первичное) сообщество организмов обрастания представляет собой обрастание, образовавшееся после двух недель экспозиции, в состав которого входят микро- и макроорганизмы. Микроорганизмы преимущественно представляют собой бактериально-диатомовую пленку. В состав макрообрастателей входят около 20 видов животных: усоногие раки, разноногие раки, мшанки, двустворчатые моллюски, гидроиды, многощетинковые черви, асцидии, десятиногие раки, брюхоногие моллюски и пантоподы, балянусы.

Это пионерное сообщество обрастания полностью соответствует всем указанным выше требованиям, предъявляемым к биологическим индикаторам.

Обрастание с пластины снимают целиком, подсушивают до постоянного веса, минерализуют концентрированной азотной кислотой и методом атомной адсорбции определяют в нем содержание тяжелых металлов: Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Cd, Ni. Результаты определения выражают в микрограммах на грамм сухого веса пробы. Таким образом, на результат определения не влияет изменение общей биомассы обрастания, обусловленное сезонностью.

При любом изменении видового состава, связанном с сезонностью (изменение температуры) либо погодными условиями (обильные дожди, ветры, интенсивное перемешивание водных масс), организмы обрастания, адаптированные к условиям загрязненйой среды, присутствуют в достаточном количестве.

При этом в береговой зоне портовой гавани, где представители бентоса вытеснены на глубину, в максимально загрязненный придонный биотоп, и не отражают минеральную ситуацию малых и средних глубин, пионерное сообщество (14 суток) организмов обрастания в силу того, что наличие загрязнения не оказывает отрицательного влияния на его развитие, способно адекватно отражать уровень минерального загрязнения на горизонте экспозиции образца.

Известно, что накопление тяжелых металлов организмами-индикаторами из сообщества обрастания зависит не только от химических факторов среды, но от химической природы субстрата. Матированное стекло (обычное предметное или оконное стекло, поверхность которого обработана механически) имеет те преимущества при использовании в качестве субстрата для организмов-индикаторов, что не вносит дополнительного загрязнения.

Сравнение результатов определения для фоновой акватории и места предполагаемого загрязнения проводят по каждому тяжелому металлу отдельно.

Примеры конкретного осуществления способа

Пример 1. В осенне-летний период (июль-октябрь) период 2000 г. в бухте Золотой Рог (44 причал) в море были выставлены образцы-пластины матированного стекла (500×500 мм) на горизонте 2-2,5 м с борта двух судов. Пластины непосредственно перед установкой зачищали наждачной бумагой до получения матовой поверхности и протирали этиловым спиртом.

В качестве фоновой акватории использовалась бухта Рында, воды которой по основным, гидрохимическим показателям соответствуют открытым водам Японского моря.

После двух недель экспозиции обрастание снимали целиком с помощью шпателя из инертного материала, подсушивали при температуре 60°С до постоянного веса и минерализовали концентрированной азотной кислотой. Указанную операцию выполняли для трех пластин. В усредненной минерализованной пробе методом атомной абсорбции определяли содержание тяжелых металлов: Fe, Mn, Cu, Zn, Pb, Cd, Ni. Чувствительность определения метода атомной адсорбции (мкг/мл) была следующей: Fe - 0,05, Mn - 0,02, Cu - 0,02, Zn - 0,02, Pb - 0,05, Cd - 0,005, Ni - 0,02.

В течение указанного срока было проведено 7 определений.

Усредненные значения этих определений со среднеарифметическим отклонением (мкг/г сухого вещества пробы) по каждому металлу для фоновой акватории (бухта Рында) места предполагаемого загрязнения (Золотой Рог, 44 причал) приведены в таблице 1.

Таблица 1
	Fe	Mn	Cu	Zn	Pb	Cd	Ni
Бухта	3170±10	214±5	11±2	137±5	7±1	0,10±0,01	3,0±0,2
Рында
Б. Золотой.
Рог	4400±10	308±5	51±3	892±5	37±5	0,6±0,02	7,6±0,3
44 причал

Сравнение приведенных результатов показывает, что пионерное сообщество обрастания стеклянных пластин бухты Золотой Рог, а следовательно, и сама акватория бухты в сравнении с контрольной бухтой Рында загрязнены Zn и Pb и в меньшей степени другими тяжелыми металлами, указанными в таблице.

Пример 2. В 2001 году в мае-начале июня (отсутствие типичных организмов-макрообрастателей) стеклянные образцы-пластины были выставлены в тех же бухтах: Золотой Рог (44 причал - место предполагаемого загрязнения) и Рында (контроль). Подготовку проб и определение тяжелых металлов проводили, как в примере 1. Было проведено 5 определений.

Усредненные значения содержания тяжелых металлов со среднеарифметическим отклонением (мкг/г сухого вещества пробы) для указанных акваторий приведены в таблице 2.

Таблица 2
	Fe	Mn	Cu	Zn	Pb	Cd	Ni
Бухта	3770±10	220±5	14±2	147±5	6±1	0,10±0,01	3,6±0,2
Рында
Б. Золотой
Рог	4400±10	348±5	45±3	872±5	47±5	0,8±0,02	5,6±0,3
44 причал

Результаты также показывают наличие явно выраженного загрязнения акватории бухты Золотой Рог вблизи 44 причала цинком и свинцом.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает круглогодичную оценку сравнительного загрязнения морских вод тяжелыми металлами. Он обеспечивает возможность одновременного контроля загрязнения морской воды тяжелыми металлами на различных заданных горизонтах в силу того, что представители пионерного сообщества обрастания обнаруживаются практически на любой глубине (если речь идет о портовых акваториях) и в присутствии любого загрязнения. Способ отличают простота и доступность сбора материала, отсутствие привязки к каким-либо гидротехническим портовым сооружениям или, например, причалам, буям. Кроме того, исключается необходимость сортировки собранного материала по видам, размеру, полу и т.д., которые влияют на результат определения в способе-прототипе, и значительно упрощается предварительная обработка материала. Заявляемый способ обнаруживает свои преимущества при круглогодичных или сезонных наблюдениях за химико-экологической ситуацией портовых вод, а также любых других морских вод, испытывающих антропогенное давление.

Способ биоиндикации загрязнения морских вод тяжелыми металлами, включающий определение содержания тяжелого металла в минерализованном сухом остатке организмов обрастания, отобранных в месте предполагаемого загрязнения и в фоновых водах с естественным, постоянно присутствующим содержанием определяемого металла в указанных организмах, с последующим сравнением полученных значений, отличающийся тем, что в качестве организмов обрастания используют их пионерное сообщество, фоновые воды выбирают в непосредственной географической близости к месту предполагаемого загрязнения и о наличии загрязнения тяжелым металлом судят по разнице между его содержанием в пионерных организмах обрастания, отобранных в месте предполагаемого загрязнения, и в пионерных организмах обрастания, отобранных в фоновых водах.