.:: ЯКУЦЕНИ.РУ ::. - Оценка качества сточных вод. Часть 7. Объективные методы оценки качества водной среды методами комплексного биотестирования водной среды

В ходе оценки качества сточных вод, приходится сталкиваться с массой, где сходится множество химических соединений, расширяющих спектр потенциальных загрязнителей, к тому же нередко реакционноспособных друг с другом с образованием новых потенциально токсических элементов и соединений.

Оценивать результаты этих взаимодействий аналитическим путем практически не реально, они подвержены даже погодным изменениям. Отсюда возникает слишком много неопределенностей в оценке реального состояния конкретной экологической системы в зависимости от оптимизма или пессимизма исследователя, что нередко формирует недоверительность к их результатам и в ряде случаев административным пренебрежением к действительно опасным для населения, но плохо обоснованным ситуациям.

Учитывая эти объективные методологические трудности в оценках реальных токсических рисков разработаны и опробованы различные системы комплексного биотестирования водной среды.

Нами приводиться, в качестве одного из ключевых подходов к реальной оценке опасности сточных вод для организма человека и естественной водной биоты - многоуровневая система биотестов для оценок влияния техногенных нагрузок на окружающую среду от любых промышленных объектов, включая все объекты освоения и утилизации углеводородов. Метод основан на комплексном биотестировании различных элементов, растворённых в водных средах и смывах почв. Опробован на ряде полигонов в РФ, Польской Республике и показал хорошие результаты.

Полученные результаты показывают, что исключительно химических данных недостаточно для оценок уровня экологического состояния окружающей среды. Приведем, сравнительно детально, полученные нами результаты исследований. Объектом анализа служили подземные воды активного водообмена в регионе с развитой промышленностью, включая ТЭК. Цель выполненных работ – оценка реального качества используемых для питьевого водоснабжения подземных вод, поскольку очевидно, что экологически неблагоприятные элементы и соединения, поступающие на поверхность, аккумулируются в поверхностных водах и мигрируют в подземные водоносные горизонты, существенно ухудшая их качество.

Как правило, оценка потребительских качеств воды базируется на аналитическом определении их химического состава и присутствия загрязнителей в сравнении с принятыми стандартам качества, например, соответствие санитарным нормам и правилам. Аналитические приборы могут быть очень чувствительными, стандарты качества весьма широкими, но этот подход имеет принципиальные недостатки. Прежде всего, из тысяч потенциально опасных для здоровья человека веществ, максимум три сотни могут быть выявлены аналитически. Еще меньше соединений включают, и это оправдано экономически, в списки регламентирующие потребительское качество воды. Так СанПиН 2.1.4.1074-01, нормирующими качество воды централизованного водоснабжения в РФ включает более 1300 соединений и показателей, из них экспрессно и повседневно определяется не более 34 показателей. Национальный стандарт Франции подразумевает определение порядка 80 компонентов и соединений. Предложения Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по качеству воды – 49 показателей.

И все же главный дефект аналитического анализа не в том, что он ограничен по своим возможностям, а в том, что не рассматривает комбинированные эффекты, возникающие при взаимодействии различных типов соединений (на принципе комбинированного действия основано бинарное оружие) и результаты химического анализа не могут быть прямо интерпретированы для организма человека, поскольку критические уровни таких воздействий могут быть оценены только на основе медико-биологической экспертизы. Но она в большинстве случаев не позволяет идентифицировать тип и природу загрязнителя.

Учитывая все это, была разработана многоуровневая система оценки уровней загрязнения среды, сочетающая несколько наиболее доступных для выполнения биотестов с аналитическим определением загрязнителей. Именно эта система и была опробована при полигонных экологических исследованиях. Предлагаемая многоуровневая система биотестов в комплексе с точными аналитическими методами позволяет не только определить содержание загрязняющих веществ, но, что еще более важно, оценить их возможное влияние на организм человека, поэтому она рассматривается нами как один из наиболее корректных современных методов оценки экологического состояния среды, и не только подземных вод, в районах влияния интенсивных техногенных нагрузок.

Исследованный нами регион отличает развитая горнодобывающая, металлургическая и топливно-энергетическая промышленность, интенсивная сельскохозяйственная деятельность, широко развитая и загруженная транспортная сеть. Спектр возможных загрязнителей очень широк. Их персональное выявление затруднительно, поэтому изучаемая территория оптимально подходит для проведения исследований по оценке реального экологического состояния среды в условиях интенсивного и многообразного техногенного воздействия, на основе уровней загрязнения подземных вод, как самой динамичной системы отклика.

Был отобран представительный набор проб из различных источников водной среды. Все пробы были проанализированы геохимическими методами на специальной аппаратуре и проведено биотестирование. Результаты сравнивались. Приведем их характеристику.

 

Аналитические методы

Спектр возможных загрязнителей очень широк и поэтому аналитически, с большой точностью, были определены реперные загрязнители: углеводороды, отдельные металлы и металлоиды, радионуклиды и хлорорганические соединения сельскохозяйственной химии.

Углеводороды определяли на ИК-фотометре, чувствительность – 1х10-5 г/л (ГОСТ 17.1.4.01-80). Металлы и металлоиды – на спектрофотометрах PST (фирма BAIRD, США) и АА HGA (фирма Perkin-Elmer, США), чувствительность – 0,5-1,0х10-7 г/л (стандарт US EPA, method 3005). Радионуклиды – на жидкостносцинцилляционных счетчиках Mark-3 и Mark-5 Series (фирма ТМ Analitic, Голландия). Чувствительность – 1х10-14 г радиоактивного вещества. Хлорорганические соединения – на газожидкостном хроматографе HSP 5890 Series II, чувствительность – 1х10-3 г/л (стандарт US EPA, method 808).

Содержание углеводородов и хлорорганических соединений в отобранных пробах воды было существенно ниже предельно-допустимого для питьевой воды уровня. Радиоактивность также не превышала уровня фона во всех пробах, кроме пробы 5, которая содержала тритий в концентрации в 2,5 раза превышающей фоновую. Из двадцати трех проанализированных металлов и металлоидов только концентрация цинка превышала стандарт для питьевой воды (0,1 мг/мл) в пробах 6, 11 и 12 – примерно в два раза, в пробе 5 – в пять раз и в пробе 14 – в 15 раз.

Таким образом, единственным химическим загрязнителем, выявленным с помощью чувствительных аналитических методов, был цинк. Соответственно, за исключением пробы 14, может быть сделан вывод о благоприятных качествах проанализированной воды для питьевого водоснабжения.

Иная характеристика этих же вод возникла при их биотестировании по предложенному методу.

 

Биотестирование

Тесты на гидробионтах, очень популярные в последнее время, не могут быть однозначно применены для определения степени опасности воды для здоровья человека. Вещества, безопасные, например, для дафнии, могут быть токсичны для человека. Поэтому необходимы эксперименты на млекопитающих, но они негуманны, дороги и длительны. Развитие методов культуры клеток и тканей сделало возможным использование хорошо воспроизводимых и относительно недорогих биотестов, позволяющих определять влияние загрязнителей на иммунную и нервную системы человека. Эта проблема может быть преодолена при использовании клеточных и тканевых культур млекопитающих. Такие методы широко используются в медицине и биологии, они хорошо воспроизводимы, легко управляемы, и значительно дешевле, чем эксперименты на лабораторных животных. Таким образом, предложенный и использованный нами метод оценки качества питьевых вод применительно к здоровью человека включает опыты на гидробионтах, исследования иммунных реакций клеток человека, опыты на переживающих срезах головного мозга млекопитающих и определение антихолинэстеразной активности образцов воды.

 

Тест на токсичность

Первая группа экспериментов была проведена на обычном тесте с использованием рачка Daphnia magna Stratus. Выбор этого теста был обусловлен тем, что среди других существующих методов токсикологической оценки качества воды он отличается высокой чувствительностью рачков, как биоиндикаторов.

Дафнии чутко реагируют на вещества-загрязнители воды, так как для них характерен фильтрационный тип питания, в процессе которого рачок пропускает через свой организм, значительное количество воды, извлекая растворенные и взвешенные вещества, в том числе и компоненты загрязнений, которые накапливаются в их организме.

Как правило, это накопление не носит избирательный характер и затрагивает практически все компоненты, содержащиеся в воде. В результате накопление вредных веществ приводит к их отравлению. Оно проявляется в виде различных функциональных нарушений, а при сильном отравлении – гибели.

Широта распространения и легкость культивирования в лабораторных условиях сделали дафнии широко используемым тест - объектом, входящим в большинство национальных и международных стандартов исследования качества воды.

Принцип использования биотеста, в качестве аналитического индикатора, заключается в оценке статистически достоверных различий в поведении и жизни рачка между исследуемым образцом воды и контрольной пробой с чистой водой.

Критерием токсичности является иммобилизация (обездвиживание) дафний. Предел обнаружения минимальной токсичности – когда 20% от наблюдаемых особей иммобилизованы. После 24 часового пребывания в исследуемой воде иммобилизация, как правило, превышает 50%. Принято считать, что положительные результаты 12-часовой экспозиции отражают острую токсичность пробы, а 48-часовой – общую.

Наблюдения проводят непрерывно в течении первого часа воздействия, затем один раз в час, до конца первых суток и, затем, в последующие сутки, через каждые 8 часов. Таким образом, весь эксперимент занимает 48 часов.

При 12-часовой экспозиции определялась общая токсичность, а при 48-часовой – общая токсичность пробы. Пробы 5, 6, 7, 8 были слаботоксичны, проба 11 – среднетоксична, а проба 14 обладала большой острой и общей токсичностью для дафний. Именно в этой пробе содержание цинка было в 15 раз больше нормы, что и могло быть причиной ее сильной токсичности.

Тест на дафнии прост и недорог, он может быть воспроизведен в полевых условиях, но его результаты не могут быть однозначно применены для определения степени опасности воды для здоровья человека. Вещества, безопасные для дафнии, могут быть токсичны для человека и наоборот.

 

Влияние на иммунную систему человека

Большинство токсичных веществ действует неспецифическим образом на организм человека. Первой «встречает удар» и повреждается иммунная система. Если добавить в среду, где находятся выделенные из крови человека клетки, отвечающие за иммунитет – лимфоциты, вещество, стимулирующее их деление, то можно изучать влияние проб воды на деление лимфоцитов.

Результаты оцениваются по изменению количества включенного в ДНК Н3-тимидина по сравнению с контрольными образцами. И стимуляция, и подавление деления лимфоцитов (реакции бласттрансформации) свидетельствует о неблагоприятном влиянии данной пробы воды на клетки иммунной системы.

Результаты выполненного эксперимента с отобранными пробами выявили неоднозначную, довольно сложную картину взаимодействия лимфоцитов с тестируемой водой. Статистические достоверные отличия от контрольных были определены в большинстве проб: 1, 5-7, 12-14. Природа этих отличий не может быть оценена в данном тексте на биотоксичность, поскольку четких повреждений не выявлено, но то что клетки иммунной системы отреагировали на состав воды – очевидно.

 

Тест на фосфорорганические соединения сельскохозяйственной химии

Существует биотест, основанный на оценке активности ацетилхолинэстеразы, позволяющий выявлять конкретный тип загрязнителей – фосфорорганические компоненты пестицидов и гербицидов. Ацетилхолинэстераза является одним из основных ферментов, участвующих в проведении нервного импульса. Фосфорорганические соединения инактивируют (подавляют) этот фермент, и тем самым прямо влияют на нервную систему человека.

В ходе эксперимента наблюдался смешанный эффект – пробы 4-6 и 13 подавляли активность фермента, а пробы 12 и 14 – стимулировали. Стимуляция фермента может приводить к развитию аллергенных реакций, подавление – к иммунодефициту.

Для контроля теста необходимо стабилизировать рН и связать металлы, возможно находящиеся в среде. Для этого добавляют нормальную кроличью сыворотку. Эта стабилизация не оказывает влияние на фосфорорганические соединения, активность которых сохраняется, но позволяет исключить «шумовые» эффекты от соединений. Если и после введения сыворотки различия остаются, можно считать, что тест положительный. Однако после стабилизации среды, все статистические достоверные различия исчезли.

Таким образом, в изученных пробах не было значимых концентраций фосфорорганических соединений, но были зафиксированы отклики на присутствие неспецифических загрязнителей.

 

Влияние на высшую нервную систему

Данный биотест основан на том, что переживающие срезы мозга крысы сохраняют все биохимические и электрофизиологические параметры целого мозга. Тонкие срезы помещались в камеру с микроэлектродами и регистрировались контрольные электрофизиологические параметры. Затем добавлялась разбавленная водная проба и регистрировались изменения параметров через 3 и 15 минут. По изменению электрического потенциала можно определить в пробе:

  • следовые количества органических веществ;
  • биологически значимые концентрации натрия, калия и кальция;
  • присутствие ионов, конкурирующих с кальцием в биологических реакциях: барий, магний, кобальт, кадмий, никель;
  • следовые количества ионов лития и аммония, конкурирующих с натрием и калием;
  • присутствие детергентов и хелаторов кальция.

Метод очень чувствителен и выявил следовые количества загрязнителей во всех пробах, кроме пробы 10.

Выводы, которые можно смогли сделать на основе всех тестов суммированы в таблице.

 

Выявление следовых количеств загрязнителей в исследуемых пробах воды.

Номера проб воды/возможные агенты-загрязнители

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Двухвалентные катионы

Х

Х

   

Х

Х

Х

     

Х

   

Х

Азотистые соединения

Х

           

Х

           

Органические соединения

   

Х

Х

           

Х

Х

Х

 

Хелаторы Са и Mg

         

Х

               

Детергенты

               

Х

         

Наилучшего качества по биоактивности была вода из комплексной пробы № 10. Подчеркнем, что проба 10, из естественного источника минеральных вод, имеет бальнеологическое значение и наиболее благоприятна, по всем показателям проведенных биотестов. Дафнии, жившие в ней, достигали рекордного возраста, отклик электрического потенциала, был также наиболее благоприятен.

Затем, по биологическому качеству, следует вода из водозаборной скважины. Комплексная проба № 2.

Пробы из городского водопровода, комплексная проба № 11 и из родника, комплексная проба № 6 оказались неудовлетворительного качества.

Это может быть связано не только с теми вредными химическими веществами, которые изначально находились в забираемой для водоснабжения воде, но и возникновение новых токсичных соединений, например, при ее хлорировании или поступлением техногенных загрязнителей.

Для дафний вода из городского водопровода оказалась летальной.

Неожиданно плохой результат дала комплексная проба № 14 – из лесного родника в горах. В ней содержалось в 15 раз больше предельно-допустимой концентрации цинка и, вероятно, ее токсичность обусловлена именно этим. Цинк мог попасть в воду из цинкосодержащих минералов, растворяемых обычными в этом районе кислотными дождями, а может рассматриваться как поисковый признак на цинк.

Наименее пригодной оказалась вода с водозаборной станции, комплексная проба № 5, т.е. вода, прямо предназначенная для питьевого водоснабжения.

 

Результаты применения метода оценки качества питьевых вод.

 

Баллы оценки качества воды
(3-х бальная система)

Номера проб исследованной воды/исследованные параметры:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Содержание цинка

   

2

 

2

1

       

1

1

 

3

Радиоактивность

       

2

                  

Тест на дафниях

1

 

1

1

2

2

2

2

1

 

3

1

 

3

Реакция бласттрансформации

2

     

1

1

1

       

2

1

1

Активность ацетилхолинэстеразы

       

2

2

         

1

1

1

Тест на срезах мозга

2

1

1

1

1

2

1

1

1

 

2

1

1

1

Сумма баллов оценки качества воды, (возрастает в сторону ухудшения оценки)

5

1

 

4

 

2

10

8

4

3

2

0

6

6

3

9

Несомненно, что каждый из этих тестов имеет свои ограничения, но в комплексе они позволяют дать более объективную токсикологическую оценку питьевой воды для человека, чем обычные исследования. Выполненные комплексные исследования показали высокую информативность предложенного нами метода оценки качества питьевых вод, что позволяет рекомендовать его для внедрения на крупных водозаборах поверхностных и подземных вод и не только для их оценки.

 

Резюме

Разработанные на сегодняшний день многоуровневые системы биотестов в совокупности с использованием аналитических методов позволяют не только определять содержание загрязняющих веществ любого происхождения, но, что еще более важно, оценивать их влияние на разные системы организма человека.

Методики сравнительно недорогие, экспрессные в исполнении, не требующие прецизионной аппаратуры, вместе с тем дающие достоверные и убедительные результаты. Фактически именно такой подход определяет ближайшее будущее фактической оценки качества как питьевых, так и сточных вод.

 

Продолжение следует...

1000 Осталось символов


Последнее на сайте

Деревня Столбово, на ...

Столбово — деревня в Хваловском сельском ...

Тверь в октябре

Двинулись в СПб. Через Тверское царство.

Усольехимпром – ...

Постапокалиптический жанр достаточно популярен. ...

Оценка трансграничного ...

В книге приводятся данные о сопредельных с ...

Scroll to top
Яндекс.Метрика