Биохимические методы мониторинга

высокочувствительных методов  анализа и выгодно отличаются своей простотой, сравнительной неприхотливостью к лабораторным условиям, дешевизной и универсальностью.   Оперативность является в настоящее время одним из наиболее важных требований, предъявляемых к биотестам.

Биотестирование, как правило, используют до химического анализа, т.к. этот метод позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить «горячие точки», указывающие на наиболее загрязненные участки акватории (территории, полигона). На участках, где методами биотестирования выявлены какие-либо отклонения и исследуемая среда характеризуется как токсичная, аналитическим путем необходимо установить причины этого явления. Как правило, биотестирование не дает ответа на вопрос о характере

загрязняющего вещества, вызывавшего  ту или иную реакцию тест- объекта. Тест-функции в биотестировании носят общий, неспецифический характер. Однако количество загрязняющих веществ, попадающих в окружающую среду, неуклонно возрастает и не исключено, что какое-либо вещество, или смесь веществ, может привести к возникновению специфических реакций у тест-объектов, особенно на клеточном или тканевом уровнях организации.

Биотестирование как метод оценки токсичности используется:

•при проведении токсикологической  оценки промышленных, сточных бытовых, сельскохозяйственных, дренажных, загрязненных природных и пр. вод с целью выявления потенциальных источников загрязнения;

•в контроле аварийных  сбросов высокотоксичных сточных  вод;

•при проведении оценки степени токсичности сточных  вод на разных стадиях формирования при проектировании локальных очистных сооружений;

•в контроле токсичности  сточных вод, подаваемых на очистные сооружения биологического типа с целью предупреждения проникновения опасных веществ для биоценозов активного ила;

•при определении уровня безопасного разбавления сточных  вод для гидробионтов с целью учета результатов биотестирования при корректировке и установлении предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ, поступающих в водоемы со сточными водами;

•при проведении экологической  экспертизы новых материалов, технологий очистки, проектов очистных сооружений и пр.

В настоящее время разработано большое количество биотестов, использующих в качестве тест-организмов разнообразных гидробионтов, таких как простейшие (инфузории, жгутиконосцы), кишечнополостные (гидры), черви (планарии, пиявки), моллюски (пластинчатожаберные, брюхоногие), ракообразные (дафнии, гаммарусы) и рыбы.

Методы, использующие в качестве тест-объектов инфузорий основаны на оценке степени их спонтанной двигательной активности, выживаемости в остром опыте (15-60 мин.) или степени прироста их численности в хроническом 96-часовом опыте. Исследуемую воду считают токсичной в случае снижения двигательной активности, выживаемости или прироста численности инфузорий по сравнению с контролем. Но величины критических концентраций тяжелых металлов для инфузорий на несколько порядков ниже, а нитратов, нитритов и аммиака – на несколько порядков выше ПДК, установленных для позвоночных животных и человека. Все это существенно ограничивает возможности и соответственно применимость биотестов с простейшими.

В настоящее время большинство  исследователей используют стандартную методику биотестирования на цериодафниях. Культура тест-организмов содержится в климатостате при постоянной температуре и определенных условиях освещения, в стоячих сосудах. Острое токсическое действие исследуемой воды на цериодафниях определяется по их смертности за определенный период экспозиции. Критерием острой токсичности служит гибель 50% и более цериодафний за 48 часов в исследуемой воде при условии, что в контроле гибель не превышает 10%.

Биотесты с применением  пиявок основаны на регистрации измененния статических поз молодых животных после их 15 – 20 мин. пребывания в тестируемой воде. О наличии токсичности судят по уменьшению количества естественных статических поз у подопытных пиявок по сравнению с контрольными и по переходу их к динамическому состоянию (ползанье, плаванье, уход из токсической зоны). При возникновении динамических реакций дальнейшее пребывание пиявок в загрязненной воде приводит к развитию у них интоксикации и гибели через несколько часов или суток. Данные методы характеризуются повышенной экспрессностью (20 мин.) и простотой в исполнении, но, по существу, устанавливают только наличие или отсутствие острой токсичности исследуемой воды для определенных видов пиявок. Учитывая, что чувствительность этих методов к ряду токсикантов (тяжелые металлы, пестициды) не превышает 10 – 20 ПДК, указанные биотесты могут использоваться только в качестве сигнальных методов.

Другие способы биологической  оценки токсичности вод основаны на регистрации закрытия створок раковин двустворчатых моллюсков при пропускании загрязненной воды через резервуары с моллюсками. Показателем токсичности воды считают увеличение относительного числа моллюсков с закрытыми створками до 70% и более. При биотестировании с помощью брюхоногих моллюсков в основном используют прудовиков, а также лужанку и катушку, взятых из природных водоемов. Оценку токсичности водной среды производят чаще всего в хронических опытах (5 – 60 дней) по изменению двигательной активности моллюсков, интенсивности их питания, размножения, плодовитости или выживаемости.

Существует большая группа биотестов, основанных на использовании поведенческих и физиологических реакций рыб. Метод рыбной пробы заключается в том, что в резервуар с исследуемой проточной водой помещают 2 – 3 вида рыб, обладающих разной чувствительностью к токсикантам. По изменениям их физиологических и поведенческих реакций или гибели судят о появлении токсикантов. С целью повышения чувствительности созданы новые биотесты, основанные на регистрации поведенческих реакций и устанавливающие токсичность воды по реакции ухода рыб из опасной зоны или изменению их дыхательного ритма и сердцебиения. Рекомендовано проводить биотесты на ограниченном числе видов, таких как речной окунь, гольян и карп.

В настоящее время серьезной проблемой становится загрязнение атмосферного воздуха, а, в частности, воздуха, которым мы дышим в помещениях, в том числе в рабочей зоне промышленных предприятий. Для того чтобы определить степень загрязнения воздуха в помещении тем или иным веществом методами биотестирования, важно найти тест-объект, который бы соответствовал всем требованиям, предъявляемыми данными условиями.

В качестве тест-организмов для оценки уровня загрязнения воздуха многие исследователи используют культурные злаки (рожь, пшеницу, овес, ячмень), кресс-салат и другие сельскохозяйственные растения, которые легко выращивать в лабораторных условиях. Эти изменения неспецифичны, т. е. нельзя сделать никаких выводов относительно воздействующего стрессора. Кроме параметров, основанных на регистрации быстрой и замедленной флуоресценции, обычно учитываются линейный прирост, процент хлорозных и некрозных повреждений относительно плотности листа.

Одним из широко распространенных методов биотестирования для оценки уровня загрязнения воздуха является трансплантационная лихеноиндикация. Метод состоит в том, что слоевища одного или нескольких видов лишайников вместе с субстратом трансплантируются на некоторое время в районы обследования.

После требуемой экспозиции проводится оценка воздействия загрязнителей на трансплантанты каким-либо из методов. С этой целью измеряются скорости фотосинтеза, дыхания или фиксации азота, содержания хлорофилла, выход калия из клеток, изменение структуры клеточных элементов, а также другие морфологические и физиологические показатели.

Основными достоинствами  трансплантационной лихеноиндикации считают:

1. Возможность размещения  слоевищ лишайников во всех  местах, где желателен мониторинг качества воздуха, в том числе и там, где лишайники по тем или иным причинам отсутствуют.

2. В каждой местности  всегда можно найти достаточное  количество образцов массовых видов лишайников, чтобы обеспечить требуемую точность исследования и полноту охвата территории.

3. Во всех тестируемых  точках размещается сравнительно  однородный материал, собранный в месте с известными условиями существования, что позволяет более обоснованно интерпретировать результаты.

4. Возможность выбора  лучшего варианта эксперимента  для изучения конкретных местообитаний и реакции представителей тех или иных видов лишайников.

5. Возможность установления  темпов увеличения уровней загрязнения, вызывающих повреждения лишайников.

6. Сокращение периода  проявления реакции лишайников  на загрязнения или другие изменения среды.

7. Возможность обнаружения  повреждений лишайников уже через  неделю с помощью некоторых достаточно чувствительных методов.

Также оценить средний  уровень загрязнения воздуха  в течение зимнего периода можно опосредовано, путем биотестирования снежного покрова. Многолетними исследованиями показано, что зимой наблюдается повышение концентрации различных химических веществ в атмосфере, обусловленное ухудшением метеорологических условий рассеяния примесей, увеличением количества промышленных выбросов, замедлением химических процессов трансформации веществ при низкой температуре воздуха. По этим причинам в снежном покрове городов накапливается основная масса атмосферных поллютантов. Для биотестирования проб воды используются различные гидробионты – водоросли, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы. Выбор фототрофных организмов в качестве тест-объектов обусловлен тем, что они являются первичным звеном трофической цепи и, как правило, оказываются основной мишенью токсичных антропогенных воздействий.

4.2 Химический мониторинг как составная часть экологического  мониторинга.

Химический мониторинг – часть эколого-аналитического, это система наблюдений за химическим составом атмосферы, осадков, поверхностных и подземных вод, вод океанов и морей, почв, донных отложений, растительности, животных и контроль за динамикой распространения химических загрязняющих веществ. Его задача – определение фактического уровня загрязнения окружающей среды высокотоксичными ингредиентами; назначение – научно-техническое обеспечение системы наблюдений и прогнозов; выявление источников и факторов загрязнения, а также степени их воздействия; наблюдение за установленными источниками поступления загрязняющих веществ в природную среду и уровнем ее загрязнения; оценка фактического загрязнения природной среды; прогноз по загрязнению природной среды и пути улучшения ситуации.

Такая система базируется на данных отраслевого и регионального  характера, включает элементы этих подсистем; она может охватывать как локальные  районы в рамках одного государства(национальный мониторинг), так и Земной шар в целом (глобальный мониторинг).

Химические тест-методы

Общий принцип большей части  химических тест-методов заключается в использовании реакций с так называемыми хромогенными (цветообразующими) реагентами. Реакции проводят в таких условиях, чтобы можно было визуально зафиксировать их результат. Этим результатом могут быть интенсивность окрашивания, цвет бумажной полоски или длина окрашенной части индикаторной трубки. Большинство используемых тест-методов служат измерительным средством однократного применения.

Большое распространение получили индикаторные трубки для измерения  концентрации вредных и взрывоопасных  веществ в воздухе рабочей  зоны. Индикаторная трубка - это стеклянная трубка, заполненная твердым носителем. На пористую поверхность носителя наносят  хромогенные реагенты. В качестве носителей применяют порошкообразные  материалы: силикагель, фарфор, стекло. Используют и химически модифицированные носители. Определение токсичных  веществ (200 наименований органических и неорганических соединений) основано на измерении длины изменившего  первоначальную окраску слоя индикаторного  порошка после пропускания через  него определенного объема воздуха, которая пропорциональна его  концентрации. Этот способ получил  название линейно-колористического метода. В тех случаях, когда анализируемый  воздух содержит смесь веществ с  близкими химическими свойствами, определение  состава и содержания токсичных  компонентов можно провести после  десорбции их производных с носителя методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Несмотря на внешнюю  простоту таких тест-устройств, они обеспечивают погрешность измерения, не превышающую 25% при содержании определяемых веществ до 0,01 млн-1. Основная трудность при их создании - это подбор специфических хромогенных реагентов. Для определения фосгена, например, в качестве реагентов используют смесь n-диметиламинобензальдегида и диэтиламина, сероводорода - соединения ртути (II).

Важным достижением в развитии тест-методов явилось создание индивидуальных пассивных дозиметров. Поглощение определяемых веществ слоем, содержащим хромогенные реагенты, происходит за счет свободной диффузии. Эти тест-устройства крепятся к одежде персонала, работающего в производственных помещениях в контакте с вредными веществами. Такие индикаторные устройства позволяют оценивать среднесменную дозу воздействовавшего на человека токсиканта по длине окрашенной зоны и представляют собой персональные дозиметры химической радиации.