2.5.4. Біоіндикація забруднення води

2.5.4.1. Біотестування

Біотестування – використання організмів або угруповань організмів, чий вміст певних елементів або сполук, а також морфологічна, гістологічна або клітинна структура, метаболічні й біохімічні процеси, поведінка та популяційна організація дають інформацію щодо кількісної оцінки якості навколишнього середовища або змін цього середовища.

Перевагами методів біотестування є висока чутливість, швидкодія, надійність, економічність, можливість створення автоматизованих систем збирання та обробки інформації.

Екологічне тестування - оцінка дії токсиканта за відповідними реакціями організмів. Основний принцип тестуван­ня - це постановка експерименту, в ході якого дослід­жувані тест-функції або тест-реакції того чи іншого тест-об'єкту кількісно оцінюються в умовах впливу токсикантів (в різних концентраціях) в порівнянні з контро­лем, який знаходиться в аналогічних умовах, але не піддається дії токсиканта. Тестування проводиться в лабораторних(активне) або польових(пасивне) умовах. За його допомогою оцінюють токсичність новосинтезованих речовин, якість природних та стічних вод, впливи на організми пестицидів, важких металів, СПАР. Використовуються такі терміни: тест-об'єкт - це організм(и), які викори­стовуються в тестуванні (вони повинні бути одного віку та розміру для зменшення варіацій чутливості, більш ба­жано, щоб вони були генетично гомогенними або клональними організмами); тест-реакція (тест-функція) - зміни якого-небудь показника тест-об'єкту порівняно з контролем; токсикологічний контроль - перевірка відповідності якості води певним вимогам методами тестування; критерій токсичності - значення тест-параметру або правило, за яким роблять висновки про токсичність води (наприклад, ЛК₅₀, ЛК₁₀₀); тест - це систе­ма трьох взаємопов'язаних компонентів: тест-об'єкта, який піддається впливу з боку експериментатора, мето­ду або набору методів для реєстрації змін тест-функцій, методів обробки інформації, що отримується при біотестуванні. Тести характеризуються такими основними показниками: час відгуку, або експресність; чутливість, тобто мінімальна концентрація токсиканта, яка може викликати тест-реакцію; відтворюваність, тобто мож­ливість отримання однозначних наслідків при стабільних умовах тестування; точність; інструменталізованість; економічність. Розрізняють два види тестів: гострі тести - розраховані на отримання експрес-інформації про токсичність досліджуваної речовини для даного тест-об'єкту, проводяться від декількох хвилин до 96 -120 год.; хронічні тести розраховані на виявлення довготривалого ефекту дії токсикантів і проводяться від 20 і більше діб - дозволяють визначити хронічну токсичну дію на тест-об'єкти за зниженням їхнього виживання та пло­дючості.

Основним токсикометричним поняттям є смертність, яка характеризується статистично вірог­ідним відсотком загибелі особин із певної обґрунтованої вибірки представників одного виду. Смертність залежить від дози токсичної речовини, тобто від її маси, що припадає на одиницю маси живого організму, і від тривалості її дії, тому залежність смертності від дози виражається кривою "доза-ефект", що однозначно (за стабільних умов) характеризує токсичність певної ре­човини для даного організму. Стосовно дрібних організмів поняття дози не завжди можна застосува­ти, оскільки їхню масу в дослідах не визначають, у зв'язку з цим користуються поняттям ефективної кон­центрації і відповідно будують криві "концентрація-ефект". Розрізняють мінімально допустиму концент­рацію або дозу - МДК, МДД (LC₀, LD₀), летальну (LC₁₀₀, LD₁₀₀), при якій гине 100% піддослідних об'єктів. Ці концентрації встановлюють в 1-, 2-, 3- і 4-добових дослідах і позначають відповідно LC₁₀₀²⁴, LС₁₀₀⁴⁸, LC₁₀₀⁷², LС₁₀₀⁹⁶. Основним показником токсич­ності визнана медіанна летальна концентрація (доза) – LС₅₀, LD₅₀, переважно за 48 год. – LC₅₀⁴⁸. Величина, обернена LС₅₀⁴⁸, тобто 1/LC₅₀⁴⁸ називається токсичні­стю (Т). Вона виражається в мг/л, мкг/л, мг*екв або в молях. Однак LС₅₀ можна визначити тільки для однієї речовини і тільки в експериментальних умовах. Але в реальності в даному водному об'єкті "співіснують" багато токсикантів. Комплексний характер токсичного ефекту особливо проявляється в стічних водах. Для оцінки їхньої токсичності введений такий критерій, як коефіцієнт розведення (КР), тобто такий рівень роз­ведення тестованої води, при якому токсичний ефект достовірно не проявляється. Під інтегральною ток­сичністю (Т_i) розуміють величину, обернену до коеф­іцієнта розведення, тобто Т_i = 1/КР. Т_i виражається величинами 1, 10, 20, 50, 100, 500 і т.д., які відповіда­ють величинам розведення 1:1, 1:10, 1:20, 1:50, 1:100, 1:500 і т.д. На базі Т_i виділяють класи забруднення вод. Попередня шкала оцінки рівнів токсичного забруднення прісних вод наведено в табл. 2.10

Таблиця 2.10

Отже, тестування включає вивчення зв'язку доза-ефект на тест-об'єктах; проведення гострих та хроні­чних дослідів; вивчення механізмів токсичності і про­цесів детоксикації. Отримані дані використовують для встановлення рівня забруднення; оцінки небезпеки для здоров'я людей, тварин та рослин; розробки за­ходів контролю, стандартів якості, гранично допус­тимих концентрацій і конкретних програм моніто­рингу.

Методи біотестування

Важливою перевагою методів біотестування є можливість створення автоматизованих систем збирання та обробки інформації. Автоматизована система біотестування мікроорганізмів може бути використана для оцінки якості води на основі реєстрації різних параметрів руху джгутикової водорості Euglena gracilis, зокрема гравітаксису, рухливості й швидкості руху клітин.Ці параметри чутливі до ряду токсичних сполук, присутніх у стічних водах. Схему приладу (рис. 2.9) складається з горизонтально розміщеного мікроскопа, кювети з водоростями, що рухаються у вертикальному напрямку, ССД-камери, комп'ютерної системи спостереження руху водоростей, обробки й аналізу параметрів руху. Процедура вимірювань передбачає пропускання через кювету стандартизованої клітинної суспензії, яку спочатку розбавляють контрольною водою, а потім замінюють водою з токсикантом. Система дає змогу протягом 10 хв. оцінити небезпечні рівні токсичності водного середовища.

Рис. 2.9. Схема приладу для автоматизованого біотестування водоростей

В якості об’єктів можуть використовуватись риби.

На стан і поведінку риб впливають рН середовища, хімічні сполуки, важкі метали, пестициди, поверхнево-активні речовини.Вплив токсикантів на риб залежить від тривалості дії, типу токсиканта, показників якості води, видів риб та стадій їх життєвого циклу.Основні методи біотестування з рибами як тест-об'єктами базуються на реєстрації таких тест-реакцій як поведінка, рухова активність, інтенсивність серцебиття та дихання, зміна рівня пігментації, порушення активності ферментів тощо.Використовується в біосигналізаторах (рис. 2.10) поведінкова реакція риб.

Рис.2.10. Принцип біотестування водного середовища на основі реєстрації поведінкової реакції риб: 1 — акваріум; 2 — електроди; 3 — фотоприймач; 4 — система подачі чистої води

При відсутності токсикантів риби тримаються проти течії. Мимовільному виходу риб зв своєї зони заважає електричне поле, що створюється електродами. Якщо вода стає токсичною, залишають цю зону, що фіксується фотоприймачами. Метод використовується для контролю вод, які містять активний хлор, аміак, мідь, залізо, спирти, альдегіди, нафтоли, поверхнево-активні речовини, аміно- та нітросполуки.

Рис.2.11. Схема установки для біотестування стічної води згідно з кардіореспираторними реакціями риби: 1 — контейнер; 2 — електроди; 3 — підсилювач; 4 — система реєстрації: 5 — термостат

В іншому методі (рис. 2.11) реєструються електрокардіограми

(ЕКГ) та електропневмограми (ЕПГ) риб, вміщених у контейнер з проточною водою, обладнаний електродами.Токсичність води визначається при порівняльному аналізі середніх значень ЕКГ і ЕПГ для груп риб у розчинах з токсикантом та в контрольній воді.

Рис.2.12. Схема дистанційної системи біотестування з використанням риб як тест-об'єктів.

Біотестування з використанням риб як тест - об'єктів використовується в дистанційних системах зондування Землі (рис. 2.12). Інформація щодо забруднення водойми, температури, рН та інших параметрів надходить на вхід бортового комп'ютера, звідки передається на центральний пункт спостереження та аналізу природного середовища.