Экология/6.Экологический мониторинг

К.б.н. Борздыко Е.В., к.т.н. Борздыко И.А.

Брянский государственный университет имени академика И.Г. Петровского, Россия

 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЛЕКСА ПОКАЗАТЕЛЕЙ БИООБЪЕКТОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕКОТОРЫХ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

 

Тест-объекты – биологический прибор, выявляющий интегральный биологический эффект комплекса неблагоприятных экологических факторов, в том числе и химической природы. Одна из задач биомониторинга - разработка систем ранней диагностики воздействия поллютантов на окружающую среду, отбор подходящих природных объектов, его тест-функций, тест-реакций. К сожалению ни один из тест-объектов – это не универсальный индикатор, в равной степени чувствительный ко всем экологическим факторам, из-за видовой избирательности действия потенциальных токсикантов. Надежность схемы испытаний повышается с введением каждого дополнительного тест-объекта или показателя.

Цель работы - рассмотреть возможность использования комплексных показателей растений из двух разных экологических групп и животного объекта при оценке влияния некоторых тяжелых металлов. В 2013 г. проводилось исследование по влиянию некоторых тяжелых металлов на биофизические показатели (сопротивление, кОМ; биоэлектрический потенциал или БЭП, мВ; электропроводность, sm) и жизнеспособность (длина проростка, см; энергия прорастания, способность к прорастанию, %) семян яровой пшеницы, морфологические изменения у Ceratophyllum demersum и фиксация жизнеспособности у пресноводного моллюска Physa fontinalis. Измерение биологических эффектов осуществляли на проростках семян яровой пшеницы (по 100 шт. каждый образец), проращенных в растворах солей тяжелых металлов (ZnSO4, CuSO4, Co(NO3)2, BaCl2, Fe2(S04)3) разной концентрации (0,25…0,0001мг/мл) в течение 5 суток. Одновременно в тех же растворах солей тяжелых металлов (концентрация 0,25…0,0001мг/мл) выращивались образцы Ceratophyllum demersum L. и содержался пресноводный моллюск Physa fontinalis. Сравнение всех опытных образцов велось с контролем (дистиллированная вода). Электрическое сопротивление комплекса тканей проростка и электропроводность измерялось игольчатыми электродами, биоэлектрический потенциал - высокоомным милливольтметром постоянного тока с электрометрическим усилителем. Результаты обрабатывались статистическими методами в программе Microsoft Excel.

Влияние разных концентраций некоторых тяжелых металлов на биофизические параметры и жизнеспособность семян пшеницы представлено в таблице 1.

Таблица 1 – Биофизические показатели и жизнеспособность семян пшеницы в зависимости от концентрации солей тяжелых металлов (2013 г.)

№ п/п

Металл и его концентрация, мг/мл

Энергия прора

тания,%

Способ

ность к прорас

танию, %

Длина

стебля

5-дневного проростка, см

Сопротив

ление, кОМ

Электро

провод

ность,

sm

БЭП, мВ

1

Эталон

33

38

2,63±0,86

32,62±1,19

3,07*10-5

31,80±1,38

2

Fe  0,25

53

76

3,95±0,60

30,34±0,88

3,30*10-5

32,80±0,58

 

0,025

44

50

3,10±0,79

50,01±1,78

1,99*10-5

30,60±0,49

 

0,001

38

57

2,25±0,62

54,04±1,89

1,85*10-5

20,60±0,42

 

0,0001

11

35

1,85±0,51

41,06±1,16

2,44*10-5

13,60±0,62

3

Zn  0,25

43

62

4,00±0,75

34,49±0,64

2,90*10-5

32,40±1,26

 

0,025

30

46

3,95±0,55

30,61±0,50

3,27*10-5

23,40±0,48

 

0,001

29

44

3,77±0,64

28,77±0,69

3,48*10-5

27,40±1,55

 

0,0001

25

38

2,65±0,44

22,57±1,06

4,43*10-5

25,20±0,74

4

Co  0,25

29

39

3,95±0,86

33,63±0,78

2,97*10-5

33,40±0,84

 

0,025

12

19

1,85±0,89

36,61±0,41

2,73*10-5

23,80±0,44

 

0,001

24

36

4,25±1,05

27,49±0,37

3,64*10-5

25,80±0,92

 

0,0001

34

42

4,25±0,72

25,72±0,31

3,89*10-5

27,60±0,69

5

Cu  0,25

25

26

2,91±0,94

33,54±0,38

2,98*10-5

23,00±1,20

 

0,025

37

43

3,77±0,42

26,99±0,71

3,71*10-5

29,60±1,25

 

0,001

47

50

6,14±0,58

31,38±0,51

3,19*10-5

24,40±0,41

 

0,0001

27

27

2,06±0,71

34,48±1,99

2,90*10-5

15,00±0,40

6

Ba  0,25

15

15

1,18±0,63

44,50±1,34

2,25*10-5

22,60±0,87

 

0,025

30

30

2,61±1,22

41,16±0,79

2,43*10-5

29,60±1,63

 

0,001

22

22

3,07±1,44

40,04±1,87

2,50*10-5

23,2±1,43

 

0,0001

44

44

5,78±0,63

21,62±0,41

4,63*10-5

52,00±1,30

 

В таблице 2 приведены результаты морфологических изменений у Ceratophyllum demersum.

 

Таблица 2- Морфологические изменения у Ceratophyllum demersum L. (2013 г.)

№

п/п

Металл и его концентрация, мг/мл

Специфическая окраска листьев

Рассоединение листьев

Реакция

Коэффициент роста

1

Эталон

Интенсивно-зеленая

-

-

1,55

2

Fe  0,25

Бесцветная

+

ч/з 6 часов

-

 

0,025

Светло-зеленая с белесым оттенком

-

ч/з 96 часов

-

 

0,001

Светло буро-зеленая

-

ч/з 2 недели

-

 

0,0001

Светло-зеленая

-

ч/з 2 недели

-

3

Zn  0,25

Серовато-зеленая

-

ч/з 96 часов

-

 

0,025

Серовато-зеленая

-

ч/з 2 недели

-

 

0,001

Светло-зеленая

-

ч/з 2 недели

-

 

0,0001

Светло-зеленая

-

ч/з 2 недели

-

4

Co  0,25

Бесцветная с вкраплениями зеленого

+

ч/з 96 часов

-

 

0,025

Бледно-зеленая

+

ч/з 2 недели

-

 

0,001

Бледно-зеленая

+

ч/з 2 недели

-

 

0,0001

Бледно-зеленая

-

ч/з 2 недели

-

5

Cu  0,25

Светло-зеленый с голубым оттенком

+

ч/з 24 часа

-

 

0,025

Светло-зеленый с голубым оттенком

-

ч/з 48 часов

-

 

0,001

Светло-зеленый

-

ч/з 2 недели

-

 

0,0001

Светло-зеленая

-

ч/з 2 недели

-

6

Ba  0,25

Бесцветная

+

ч/з 96 часов

-

 

0,025

Светло-зеленая с белесым оттенком

+

ч/з 96 часов

-

 

0,001

Грязно светло-зеленая

-

ч/з 2 недели

-

 

0,0001

Грязно светло-зеленая

-

ч/з 2 недели

-

 

Результаты исследования показали, потребление тяжелых металлов растениями зависит от эколого-физиологических особенностей последних, поэтому их ответная реакция на воздействие тяжелых металлов различна.

Специфическое действие некоторых металлов (железо, цинк) объясняется тем, что в концентрациях 0,25…0,0001мг/мл они биологически активные микроэлементы, необходимые для нормального развития проростков пшеницы, а для Ceratophyllum demersum в этих же концентрациях железо и цинк оказывают токсическое действие.

Кобальт, медь и барий при концентрации 0,25…0,025 мг/мл оказали на проростки пшеницы токсический эффект, а при 0,001…0,0001 мг/мл - это биологически активные вещества. У Ceratophyllum demersum все металлы в концентрации 0,25…0,0001 мг/мл оказали токсическое действие.

В таблице 3 приведены данные о жизнеспособности пресноводного моллюска Physa fontinalis.

Таблица 3- Жизнеспособность Physa fontinalis (2013 г.)

№

п/п

Металл и его концентрация, мг/мл

Жизнеспособность

Реакция

1

Эталон

 

-

2

Fe  0,25

Гибель

ч/з 5 мин

 

0,025

Гибель

ч/з 10 мин

 

0,001

Двигается, пряча щупальца

Гибель ч/з 7 дней

 

0,0001

Двигается, пряча щупальца

Гибель ч/з 14 дней

3

Zn  0,25

Гибель

ч/з 10 мин

 

0,025

Гибель

ч/з 10 мин

 

0,001

Двигается, пряча щупальца

Гибель ч/з 7 дней

 

0,0001

Двигается, пряча щупальца

Гибель ч/з 14 дней

4

Co  0,25

Гибель

ч/з 1 мин

 

0,025

Гибель

ч/з 2 мин

 

0,001

Гибель

ч/з 5 мин

 

0,0001

Гибель

ч/з 7 мин

5

Cu  0,25

Гибель

ч/з 5 мин

 

0,025

Гибель

ч/з 10 мин

 

0,001

Двигается, пряча щупальца

Гибель ч/з 3 дня

 

0,0001

Двигается, пряча щупальца

Гибель ч/з 6 дней

6

Ba  0,25

Гибель

ч/з 1 мин

 

0,025

Гибель

ч/з 1мин

 

0,001

Гибель

ч/з 2 мин

 

0,0001

Гибель

ч/з 5 мин

 

Практически все опытные образцы Physa fontinalis во всех растворах солей в исследуемых концентрациях проявили нежизнеспособность. Максимальный эффект на жизнеспособность оказали растворы солей (0,25…0,0001 мг/мл) кобальта и бария. Растворы солей железа, цинка и меди в концентрациях 0,001…0,0001 мг/мл не вызвали мгновенную гибель, но моллюски двигались неактивно, пряча при этом свои щупальца. По истечении 7…14 дней гибель все же наступила, что свидетельствует об отдаленных токсических последствиях тяжелых металлов (ZnSO4, CuSO4, Co(NO3)2, BaCl2, Fe2(S04)3).

Таким образом, высокая энергия прорастания (43…53%), способность к прорастанию (62…76%) семян пшеницы по сравнению с контролем (33% и 38%) отмечена для растворов цинка и железа в концентрации 0,25 мг/мл, а минимальная для раствора соли бария (15%). Вероятно, в данной концентрации цинк и железо выступают как биологически активные микроэлементы для пшеницы. Растворы металлов меди, кобальта, бария в концентрации 0,25 мг/мл оказывают токсическое действие, что существенно снижает энергию прорастания и способность к прорастанию в 1,2…1,5 раза. Длина стебля 5-дневного проростка пшеницы положительно коррелирует (r=+0,52…0,67) с энергией прорастания и способностью к прорастанию для всех растворов тяжелых металлов.

Выявлена закономерность: чем ниже сопротивление, тем лучше биоморфологические показатели проростков пшеницы. Достоверное угнетение проростков, проращенных в растворах солей тяжелых металлов, отмечается при высоком сопротивлении тканей (34,48…54,04 кОМ, tфакт>tтабл, Р=99,9%).  При максимальных концентрациях солей ZnSO4, CuSO4, Co(NO3)2, BaCl2, Fe2(S04)3 в растворах (0,25…0,025 мг/мл) низкое сопротивление тканей проростков, вероятно, свидетельствует о биологической активности данных соединений по отношению к растению, а высокое – об их токсическом действии.

Наилучшие биоморфологические показатели у проростков пшеницы отмечены при максимальной электропроводности (3,30*10-5…4,63*10-5sm) и биоэлектрическом потенциале (25,80…52,00 мВ) тканей. При высоких концентрациях солей ZnSO4, CuSO4, Co(NO3)2, BaCl2, Fe2(S04)3 в растворах (0,25…0,025 мг/мл) максимальные значения электропроводности и биоэлектрического потенциала указывают на физиологическую потребность проростков пшеницы в этих металлах, а минимальные - (1,85*10-5…2,90*10-5sm; 13,62…22,60 мВ) – на их токсическое воздействие.

У Ceratophyllum demersum все растворы солей ZnSO4, CuSO4, Co(NO3)2, BaCl2, Fe2(S04)3 в концентрации 0,25…0,0001 мг/мл оказали токсическое действие.  Максимальный эффект воздействия отмечен для Co(NO3)2 . При концентрации всех солей в растворах 0,25 мг/мл отмечалось рассоединение листьев и их изменение окраски.

Семена яровой пшеницы и Ceratophyllum demersum проявили высокую чувствительность по отношению к исследованным тяжелым металлам. В связи с этим рекомендуется использовать их биоморфологические и биофизические показатели в биотестировании для ранней диагностики загрязнения окружающей среды. Однако необходимо учитывать видовую и экологическую специфичность аккумуляции растворов солей тяжелых металлов растениями.

Пресноводный моллюск Physa fontinalis проявил еще более высокую чувствительность к растворам солей тяжелых металлов (ZnSO4, CuSO4, Co(NO3)2, BaCl2, Fe2(S04)3), чем растительные образцы.

Таким образом, при оценке влияния загрязнителей на биоту рекомендуется применять комплексный подход из-за неоднозначности ответной реакции живых организмов на воздействия загрязнителей. При этом необходимо учитывать видовую и экологическую специфичность аккумуляции растворов солей тяжелых металлов тест-объектами.