Регистрация / Вход
Прислать материал

БИОТЕСТИРОВАНИЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Р. МАЛЫЙ КИЗИЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТИТЕЛЬНЫХ ТЕСТ-СИСТЕМ

Сведения об участнике
ФИО
Семенова Ирина Николаевна
ФИО (на английском языке)
Semenova Irina
Название организации
Институт стратегических исследований Республики Башкортостан
Информация о докладе
Вид доклада
Устный доклад
Секция
Биотестирование в нормировании и токсикологическом контроле
Название доклада
БИОТЕСТИРОВАНИЕ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ Р. МАЛЫЙ КИЗИЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАСТИТЕЛЬНЫХ ТЕСТ-СИСТЕМ
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Кужина Гульнара Шарифовна, Сибайский филиал Башгосуниверситета, г.Сибай, Россия
Аннотация
Донные отложения р. Малый Кизил загрязнены тяжелыми металлами, образующими по их среднему валовому содержанию следующий убывающий ряд: Fe > Mn > Zn > Ni > Cu > Cd. Методом биотестирования выявлено токсическое действие опасной и умеренно опасной степени грунтов р. Малый Кизил на Lepidium sativum и Raphanus sativus. Оба используемых тест-объекта пригодны для оценки токсичности донных отложений. В то же время чувствительность Raphanus sativus к действию тяжелых металлов выше по сравнению с Lepidium sativum.
Ключевые слова
донные отложения, тяжелые металлы, река Малый Кизил, биотестирование
Введение

Стремительный рост народонаселения, увеличение площадей орошаемого земледелия, а также урбанизация и индустриализация привели к небывалому использованию водных ресурсов. За последние годы увеличился объем загрязнителей, которые бесконтрольно попадают в реки и водохранилища от предприятий промышленных и сельскохозяйственных комплексов. Так, всевозможные соединения естественного и антропогенного происхождения, в конечном счете, оказываются в водных экосистемах, откуда впоследствии осаждаются, преобразуются и аккумулируются в донных отложениях (ДО) [Мартынова, 2010]. Среди приоритетных загрязнителей водной экосистемы выделяют тяжелые металлы (ТМ) [Папина, 2001].

Оценка состояния водных объектов, при условии ее репрезентативности, имеет большое значение, так как она является необходимой частью водохозяйственных мероприятий [Кривопалова, 1995]. Часто химический анализ не дает полную картину токсикологического действия среды на живой организм. И в таких случаях часто прибегают к методам биотестирования, когда в лабораторных условиях можно оценить степень токсичности загрязненных сред с помощью живых тест – объектов [Багдасарян, 2005].

Водные ресурсы по территории Республики Башкортостан (РБ) распределены неравномерно. Нехватка воды отмечается и в Башкирском Зауралье, где все реки мелководны и относятся к категории малых рек. Одним из таких водотоков является река Малый Кизил, воды которой являются источником питьевого водопотребления не только Белорецкого и Абзелиловского районов РБ, но и некоторых населенных пунктов Челябинской области и города Магнитогорск. В связи с этим изучение экологического состояния данной реки является актуальной проблемой.

Районы исследований по географическому расположению относятся к Зауральской лесостепи (Белорецкий, Абзелиловский районы РБ) и Зауральской степи (Челябинская область), составляющих в целом Зауралье. Оно занимает площадь 9,1 % территории республики, его лесистость изменяется в пределах 1-20 %. Протяженность с севера на юг составляет 375 км, что обусловливает разнообразие природных условий. Зауралье протягивается узкой полосой восточнее хребта Уралтау, отделяясь от него продольным межгорным понижением, и переходит на востоке в Зауральский пенеплен, простирающийся вдоль границы Башкортостана с Челябинской и Оренбургской областями  [Фаткуллин, 1994].

Зауралье характеризуется уникальным скоплением крупных месторождений медноколчеданных, железных руд, а также наличием месторождений рудного и россыпного золота, что способствовало  бурному развитию горнодобывающей и рудоперерабатывающей промышленности.

Река Малый Кизил протекает по территориям Белорецкого, Абзелиловского районов РБ и Челябинской области. Имеет общую протяженность 113 км. Площадь бассейна 1204 км, имеет ширину до 20 метров, глубину 0,7 метров, скорость течения 0,3 - 0,6 м/сек. Дно твердое или песчаное. Поймы узкие, местами залесенные. В среднем течении пойма Малого Кизила напоминает форму трапеции. Правый берег преимущественно пологий, а левый - крутой.

Цель работы - исследование ДО р. Малый Кизил и оценка их токсичности с использованием различных растительных тест - систем. Маршрут исследования проходил через ряд населенных пунктов вдоль реки: Первая пробная площадка (ПП1) находилась у истока реки, ПП2 - после с. Абзаково Белорецкого района, ПП3 - д. Муракаево и ПП4 - д. Туишево Абзелиловского района, ПП5 - пос. Смеловский Челябинской области.

Методы и материалы

Отбор проб ДО проводили в соответствии с ГОСТ 17.1.5.01. Пробу массой приблизительно 300 г отбирали из слоя ила 0-10 см с помощью дночерпателя в пластиковые сосуды в 3-4-х повторностях, высушивали при комнатной температуре и просеивали через сито d = 0,25 мм. Далее образцы грунтов объединялись путем квартования в одну усредненную пробу.

Исследование содержания ТМ проводили в центральной химической лаборатории обогатительной фабрики Сибайского филиала Учалинского горно-обогатительного комбината на аппарате «CONTR AA» (Германия) с пламенным атомизатором «ацетилен - воздух». Пробы анализировались в соответствии МУ РД 52.18.685.

Для экологической оценки загрязненности осадков ТМ использовали кратность превышения их геохимической фоновой концентрации, изученнойй Институтом минералогии геохимии и кристаллографии редких элементов (ИМГРЭ)  [Добыча нерудных строительных материалов…,  2012].

Уровень техногенного загрязнения ДО реки оценивали с помощью суммарного показателя загрязнения (СПЗ):  СПЗ=∑Кс - (n-1), где Кс.= Ciф - коэффициент концентрации отдельных компонентов загрязнения; n - число суммируемых веществ, коэффициент концентрации Кс которых выше 1,0. Критические значения, позволяющие охарактеризовать ДО по степени загрязнения, таковы: при СПЗ ≤ 8 - слабо загрязненные; при 8 ≤ СПЗ ≤ 16 -  допустимая степень загрязнения; при 16 ≤ СПЗ ≤ 32 - умеренно опасная; при 32 ≤ СПЗ ≤ 128 - опасная; СПЗ ≥ 128 - чрезвычайно опасная [Опекунов, 2012].

Показатель санитарно - токсикологической опасности Zст вычисляли как сумму коэффициентов концентрации (за вычетом фона) химических элементов 1-го и 2-го классов опасности. Пределы оценки степени санитарно – токсикологической опасности следующие: Zст ≤ 10 - допустимая; 11≤  Zст  ≤ 30 - умеренная; 31 ≤ 100 - опасная; 101 ≤ Zст ≤ 100  опасная; 101 ≤ Zст ≤ 300 - очень опасная; Zст ≥ 301 - чрезвычайно опасная [Ахтямова, 2009].

Биотестирование проводили по методике, основанной на измерении показателей всхожести семян и относительного прироста в длину корней кресс-салата (Lepidium sativum) и редиса (Raphanus sativus). Отбор семян проводили по ГОСТ Р 52171 - 2003 из одной партии с одинаковым сроком годности. Перед проведением исследований семена подвергались визуальному осмотру для удаления поврежденных или сомнительных экземпляры [Мелехова, Сарапульцева, 2010]. В подготовленные чашки Петри диаметром 100 мм вносили предварительно увлажненные до 60% ДО слоем около 1 см. Глубина высева семян составляла 1-2 мм, норма высева - 20 штук на чашку, количество параллельных высевов (чашек Петри) в испытуемых пробах - по 2. В течение инкубации поддерживали оптимальную влажность субстрата около 60% от полной влагоемкости. Учет результатов эксперимента проводили на 3-7 день. Растения осторожно извлекали из субстрата, корни каждого растения тщательно промывали в воде.

В качестве контрольного образца использовали обычный кварцевый песок, предварительно промытый кипяченой дистиллированной водой. Сравнение всхожести семян и длины корня проростков с контролем позволило отнести загрязненные грунты к определенной категории токсичности: V степень - практически не токсичные - снижение всхожести семян по сравнению с контрольной пробой (N1, %) - 0 <N1 ≤ 20 % и угнетение корней по сравнению с контрольной пробой ( N2, %) -0 <N2 ≤ 20 %; IV степень - малотоксичные - снижение всхожести семян по сравнению с контрольной пробой (N1, %) - 0 <N1 ≤ 20 % и угнетение корней по сравнению с контрольной пробой (N2, %) - 20 <N2 ≤ 50 %; III степень – умеренно токсичные - снижение всхожести по сравнению с контрольной пробой (N1, %) - 20 <N1 ≤ 70 % и угнетение корней по сравнению с контрольной пробой (N2, %) - 50 <N2 ≤ 70 %; II степень - опасно токсичные - снижение всхожести семян по сравнению с контрольной пробой (N1, %) - 70 <N1< 100 % и угнетение корней по сравнению с контрольной пробой (N2, %) - 70 <N2< 100 %; I степень - высоко опасно токсичные - отсутствие всхожести семян (N1=N2=100%) [Методика измерений …, 2009].

Статистическую обработку полученных результатов осуществляли общепринятыми методами с помощью пакета компьютерных программ «STATISTICA 6.0» и «Microsoft  Excel». 

Полученные результаты

В ДО р.Малый Кизил в условиях района исследования изученные металлы по их среднему содержанию образуют убывающий ряд элементов: Fe > Mn > Zn > Ni > Cu > Cd. В распределении ТМ по длине реки отмечается определенная неравномерность.

Для меди характерна интенсивная сорбция в ДО водотоков. Темпы  поглощения зависят от присутствия глинистых частиц, лигандов, гуминовых кислот и ряда других связывающих Cu катионов [Мур Дж., Рамамурти, 1987]. В грунтах р. Малый Кизил наблюдается процесс сорбции этого металла и, как следствие, превышение фоновой концентрации, равной 4 мг/кг,  на протяжении всего водотока от 2 до 3 раз.

По содержаниию Zn  во всех точках отбора ДО зафиксировано превышение фона (20 мг/кг) от 4,5 до 8,5 раз. Максимальная концентрация металла наблюдалось в  ДО первых двух площадок (исток реки, Абзаково), что возможно обусловлено природными геохимическими особенностями территории.

Валовое содержание Fe в исследованных пробах изменялось в интервале от 16075 до 28075 мг/кг и превышало допустимую норму (3800 мг/кг) во всех точках отбора. Концентрация данного металла у истока реки превышала геохимическую концентрацию в 5 раз.

Концентрация Ni в ДО р. Малый Кизил варьировала в пределах от 14 до 23,5 мг/кг. Превышение фоновой концентрации (20 мг/кг) наблюдалось в ПП5 (пос. Смеловский). В остальных створах концентрация Ni в грунтах находилась в пределах нормы.

Содержание Cd в осадках реки изменялось от 3 до 7 мг/кг, что было выше допустимых норм (0,3 мг/кг). Максимальная концентрация данного металла (23ПДК) зарегистрирована в д. Абзаково.

На протяжении исследуемой длины водотока концентрация Mn во всех створах не превышала фоновой концентрации (1100 мг/кг).

Таким образом, физико-химический анализ ДО р. Малый Кизил показал, что во всех створах исследуемого участка реки зафиксировано превышение фона по Cu (в среднем в 2,5 раза), Zn (в 6 раз), Fe (в 6,5 раз)и Cd (в 17 раз).

Расчет показал, что исследуемые пробы ДО имеют опасную и умеренно опасную степени загрязнения и умеренную степень санитарно-токсикологической опасности (табл. 1). При этом наибольший вклад в расчет данного критерия вносит кадмий (Kc = 10 - 23).

Таблица 1 – Степень загрязнения и санитарно-токсикологической опасности грунтов р. Малый Кизил

 

Пробная площадка

 

Zc

 

Степень загрязнения

 

Zст

Степень санитарно–токсикологической опасности

ПП1 Исток

21

Умеренно опасная

17,5

Умеренная

ПП2 Абзаково

34,5

Опасная

30

Умеренная

ПП3 Муракаево

27

Умеренно опасная

25

Умеренная

ПП4 Туишево

29,5

Умеренно опасная

23,5

Умеренная

ПП5 Смеловский

30

Умеренно опасная

24,5

Умеренная

 

В ходе биотестирования  фиксировалось два тест-отклика на одном растительном тест-объекте: всхожесть семян и относительный прирост корня в длину.

Всхожесть семян кресс-салата, посеянных на чашки с исследованными образцами, была достоверно ниже всхожести семян в контроле. Минимальная всхожесть семян, составляющая 7,5%, была зарегистрирована в створе Муракаево, а максимум, равный 40%, был характерен для пробы, отобранной в створе Туишево. Выявлено наличие достоверной положительной связи между тестируемым показателем для кресс- салата и содержанием Mn (r = 0,92) и отрицательной связи между тест-откликом и содержанием Cd (r = -0,89) в ДО.

Для редиса наименьшие показания всхожести семян (5-7,5%) были зафиксированы в створах Абзаково, Муракаево и Смеловский, в то время как максимум приходился на створы Исток (70%) и Туишево (40%).

В результате исследований выявили, что у семян кресс-салата выращенных на различных грунтах, длина корней изменялась в диапазоне от 12 до 27,9 мм и не превышала значения контроля (32,4 мм). Наименьший прирост корней тест - системы наблюдался в ДО, отобранных в д. Муракаево, а наибольший - в ДО створа с. Абзаково.

Длина корней редиса, выращенного на опытных образцах ДО, была достоверна ниже контроля. Минимальный прирост проростков был зарегистрирован в створе пос. Смеловский (12 мм), а максимум - в пробе, отобранной у истока (50,8 мм). Следует отметить, что этот образец по изученному показателю превышал контроль (31,1 мм).

Таким образом, ДО р.Малый Кизил оказали токсическое действие на оба используемых тест-объекта. Наиболее опасными оказались грунты ПП2  (Муракаево) и ПП3 (Абзаково), оказавшими наибольшее токсическое действие на растения (табл. 2,3).

 

Таблица 2 - Оценка степени токсичности донных отложений р. Малый Кизил с использованием Lepidium sativum

 

 

Точка отбора

 

Степень изменения всхожести семян по сравнению с контролем, %

 

 

Степень токсичности по всхожести

 

Степень изменения длины корня по сравнению с контролем, %

 

 

Степень токсичности по длине корня

 

 

Степень токсичности

Исток

61,1±3,7

III

62,9±3,9

III

умеренно токсичные

Абзаково

55,5±1,4

III

14,1±10,0

V

умеренно  токсичные

Муракаево

83,3±1,9

II

73,7±1,9

II

опасно токсичные

Туишево

11,1±0,9

V

61,4±2,8

III

умеренно токсичные

Смеловский

55,5±2,8

III

40,8±3,5

IV

умеренно токсичные

 

Таблица 3 - Оценка степени токсичности донных отложений р. Малый Кизил с использованием Raphanus sativus

 

 

 

Точка отбора

 

Степень изменения всхожести семян по сравнению с контролем, %

 

 

Степень токсичности по всхожести

 

Степень изменения длины корня по сравнению с контролем, %

 

 

Степень токсичности по длине корня

 

 

Степень токсичности

Исток

- 86,6±4,5

V

- 62,9±18,1

V

практически не токсичные

Абзаково

80±1,6

II

12,8±0,6

V

опасно токсичные

Муракаево

86,6±0,2

II

45,4±1,7

IV

опасно токсичные

Туишево

- 6,6±1,9

V

32,5±8,7

IV

малотоксичные

Смеловский

86,6±0,2

II

61,4±0,6

III

опасно токсичные

Заключение

Проведенные исследования показали, что ДО р. Малый Кизил, русло которой расположено на территории биогеохимической провинции, загрязнены ТМ, образующими по их среднему валовому содержанию следующий убывающий ряд: Fe > Mn > Zn > Ni > Cu > Cd.  Методом биотестирования выявлено токсическое действие опасной и умеренно опасной степени грунтов р. Малый Кизил на Lepidium sativum и Raphanus sativus. Наиболее опасными оказались грунты створов Муракаево и Абзаково, оказавшими максимальное токсическое действие на растения Оба используемых тест-объекта пригодны для оценки токсичности ДО. В то же время чувствительность Raphanus sativus к действию ТМ выше по сравнению с  Lepidium sativum. 

Цитируемая литература
1. Ахтямова Г.Г. Антропогенная трансформация состава донных отложений бассейна р. Пахра (Московская область) // Метеорология и гидрология. - 2009. - №2.- С. 80-88.
2. Багдасарян А.С. Биотестирование почв техногенных зон городских территорий с использованием растительных организмов: Дисс. канд. биол. наук. - Ставрополь, 2005. - 159 с.
3. ГОСТ 17.1.5.01. - 80. - Общие требования к отбору проб донных отложений водных объектов для анализа на загрязненность.
4. Добыча нерудных строительных материалов в водных объектах. Учет руслового процесса и рекомендации по проектированию и эксплуатации русловых карьеров. - СПб.: Изд-во «Глобус», 2012. - 140 с.
5. Кривопалова З.Ф. Антропогенизация водных объектов Южного Урала и пути их реконструкции// Проблемы экологии Южного Урала. - 1995, - №1. - С. 21-25.
6. Мартынова М.В. Донные отложения как составляющая лимнических экосистем. - М.: Российская акад. наук. Ин-т водных проблем, 2010. - 243 с.
7. Мелехова О.П., Сарапульцева Е.И.. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. - М.: «Академия», 2010. - 288 с.
8. Методика измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно загрязненных почв (М-П– 2006 ФР.1.39.2006.02264). – Санкт-Петербург, 2009. – 19 с.
9. Мур Дж., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. - М.: Мир, 1987. - 286 с.
10. Опекунов А.Ю. Экологическая седиментология: учеб. пособие. - СПб.: Изд-во С.- Петерб. ун-та, 2012. - 224 с.
11. Папина Т.С. Транспорт и особенности распределения тяжелых металлов в ряду: вода - взвешенное вещество - донные отложения. - Новосибирск, 2001. - 57 с.
12. Фаткуллин Р.А. Природные условия Башкортостана. - Уфа: Китап, 1994. - 174 с.
Благодарности
Публикация подготовлена в рамках поддержанного РГНФ научного проекта №15-16-02003.
Название, авторы, резюме (на английском языке)

BIOTESTING SEDIMENTS RIVER MALYIY KIZIL  USING PLANT TEST SYSTEMS

Semenova IN, Kuzhina GS, Galiakberov VV

 

The sediments of the river Malyiy Kizil  contaminated with heavy metals, forming their average total content of the following decreasing series: Fe> Mn> Zn> Ni> Cu> Cd. Bioassay method revealed toxic effect dangerous and moderately dangerous degree of soil river Malyiy Kizil  on Lepidium sativum and Raphanus sativus. Both used the test object are useful for evaluating the toxicity of sediment. At the same time, Raphanus sativus has more sensitivity to heavy metals as compared with Lepidium sativum.