Спосіб прогнозування вмісту цинку (zn) в екосистемі рибницьких ставів (пеп-zn)

Спосіб прогнозування вмісту цинку (Zn) в екосистемі рибницьких ставів (ПЕП-Zn), який відрізняється тим, що спочатку хімічним методом ви 2 значають вміст цинку (Zn) у воді рибницьких ставів та на основі проведених аналізів води проводять розрахунки по формулі: Мо= К×Мв+В, де Мо - концентрація цинку (Zn) в об'єкті, мг/кг; Мв концентрація цинку (Zn) у воді, мкг/л; К - кутовий коефіцієнт для рівняння лінійної регресії між двома значеннями концентрації цинку (Zn) у воді та об'єкті; В - поправний коефіцієнт; причому кутові та поправні коефіцієнти використовують з таблиці 1: Таблиця 1 (13) 46876 В 25,31 102,15 519,96 1219,0 33,949 13,948 106,71 88,34 48,158 62,853 9,85 30,931 23,488 25,27 60,084 (11) К -0,088 -0,76 -7,156 -21,7 0,11 -0,179 0,16 0,46 0,26 0,20 0,07 -0,21 -0,019 0,08 -0,42 (19) UA Ланки екосистеми ставу донні відклади зообентос зоопланктон фітопланктон водна рослинність короп 1+, 2+ м'язи зябра нирки печінка шкіра товстолоб 1+, 2+ м'язи зябра нирки печінка шкіра U Кутові (К) та поправні (В) коефіцієнти для рівняння лінійної регресії між двома значеннями концентрації цинку (Zn) у воді та ланками екосистеми ставу Корисна модель належить до галузі рибної промисловості, зокрема до водної токсикології, і може бути використана для прогнозування вмісту цинку (Zn) у екосистемі рибницьких ставів. Кін. XX - поч. XXI ст. - період активного вивчення та регулювання екологічного стану довкілля. Відомо немало випадків негативної дії забруд нення на навколишнє середовище та здоров'я людей. Багато негативних наслідків, поза сумнівом, будуть ще виявлені. Серед проблем, що вимагають швидкого рішення, можна назвати наступні: евтрофування водойм, вплив кислотних дощів, забруднення важкими металами, синтетичними хімічними речовинами і радіонуклідами, а також 3 теплове забруднення водних об'єктів. Слід відмітити, що багато застарілих методів і концепцій, що використовувалися ще 30-50 років тому, знаходять впровадження і на теперішній час. Це, поза сумнівом, може уповільнити вирішення проблем, що виникають при взаємодії людини і довкілля. Необхідна розробка нових, досконаліших методів дослідження і контролю стану довкілля. Також слід зауважити, що вивчення довкілля повинно бути всеосяжним і комплексним. Окрім небезпечної дії на людей, забруднюючі речовини впливають на якість води, повітря, стан ґрунтів, на життєдіяльність різних рослин і тварин, що мешкають в зонах забруднення. Ефективність вирощування риби у рибогосподарських підприємствах в значній мірі залежить від екологічного стану їх ставів. Одними з найбільш небезпечних забруднювачів у водоймах є важкі метали, які надходять постійно зі стічними водами підприємств та інших джерел. Важкі метали несуть небезпеку як забруднювачі рибницьких водойм тому, що навіть у порівняно малих концентраціях вони токсично впливають на водні організми, першу чергу на риб, внаслідок біоакумуляції в їх органах і тканинах. Поряд з прямою токсичною дією на організми важкі метали викликають небезпечні біологічні наслідки (мутагенний, ембріотоксичний, гонадотоксичний та ін.). Антропогенний вплив на водні екосистеми має глобальний характер і в цілому приводить до різкого погіршення умов існування переважної більшості видів тварин і рослин. Водні екосистеми в цьому відношенні є найуразливішими, оскільки нагромаджують забруднювачі - токсиканти із всього водозбірного басейну. Токсикологічна обстановка в багатьох рибогосподарських ставах України залишається складною унаслідок забруднення промисловими, господарчо-побутовими і сільськогосподарськими стічними водами Найбільшу небезпеку представляє забруднення водоймищ такими важкими металами, як Fe, Zn, Mn, Cu, Ni, Co, Pb, Cd та інших. Як відомо, ці метали навіть у малих кількостях можуть негативно впливати на гідробіонтів, у тому числі і на риб. Біологічні наслідки забруднення водних екосистем важкими металами виявляються, в першу чергу, в прямій токсичній їх дії на риб, що приводить до накопичення в органах і тканинах і поразки фізіологічних систем. У санітарно-гігієнічному плані риба є важливою ланкою у передачі важких металів і інших токсичних речовин людині по харчовому ланцюгу. Відомо, що на відміну від забруднюючих органічних речовин, метали не руйнуються під впливом природних чинників, їх видалення з водойм можливо лише за рахунок випаровування або акумулювання у донних відкладах, або ж поступового накопичення в різних компонентах екосистеми, у тому числі і в рибі. Розчинні форми цинку (Zn) відносяться до одних з найбільш біодоступних. З'єднання цинку поступають у водоймища з підприємств кольорової металургії, машинобудівної, фарбувальної, хімікофармацевтичної, целюлозно-паперової, деревообробної і текстильної промисловості. Хлорид цинку застосовують як консервант деревини. У водоймищах він присутній у вигляді розчинних солей, 46876 4 нерозчинних гідроокисів і адсорбованим на зважених частках. Аналізуючи дані про фізіологічну роль цинку, необхідно відзначити поліфункціональність цього елементу. Роботи вчених свідчать про загальнобіологічну роль цинку в процесах розмноження. Доведений позитивний вплив цинку на активність статевих і гонадотропних гормонів гіпофізу риб. У мітохондріях основна частина цинку входить до складу високомолекулярних з'єднань. При нестачі цинку знижується інтенсивність фотосинтезу, що пов'язано з входженням цього металу до складу дегідрогенази фосфоргліцерінового альдегіду і, таким чином, участю його у відновних перетвореннях продуктів фотосинтезу. Цинк входить до складу багатьох ферментів (карбоангідрази, карбоксипептидази, спермоксидази, лактат- і малатдегидрогенази і ін.) і активує ряд з них (аргіназа, гліцилгліциндіпептідаза і ін.). Локалізація цинку у складі ферментів гліколізу і дихання та ін. багатьох ферментів дає можливість зрозуміти його роль в гліколітичному і дихальному циклах. При низькому рівні вмісту цинку в довкіллі активність цих ферментів різко знижується, що веде до кисневого голодування гідробіонтів і інших порушень обміну речовин. Інтерес представляє питання про вплив цинку на синтез білка. Цинк гонадотропічного екстракту гіпофізу поряд з іншими мікроелементами активує фермент, зв'язуючий СО2, і тим самим підвищує синтез білків, жирів і вуглеводів. Найбільша потреба в цинку відмічена в період інтенсивного зростання та у період статевого дозрівання. У клітках Euglena gracilis, позбавлених цинку, виявлена деградація рибосом аж до повного зникнення. В цьому випадку можна говорити про роль цього елементу в надмолекулярній організації внутріклітинних комплексів. Підраховано, що 85% всього цинку крові риб локалізується в еритроцитах, 3% - в лейкоцитах і 12% - в сироватці крові. Причому, старі форми еритроцитів містять більше цього металу, ніж молоді. На думку деяких дослідників іони цинку залежно від концентрації активують лужну фосфатазу або виступають в ролі її інгібітору. Оптимальні концентрації цинку підвищують активність травних ферментів (інвертази) і фагоцитарну реакцію крові риб. При інших концентраціях металу ці процеси пригнічуються. Негативний плив на біоту концентрацій цинку (Zn), що перевищують граничнодопустимі концентрації, надзвичайно різноманітний. Головні відповідні реакції - зниження різноманітності та щільності популяцій - характерні, як правило, для найбільш забруднених районів. Але аналогічні зміни відмічаються в помірно та слабо забруднених водних системах. Отруйні властивості цинку обумовлені в основному іонами, можливо, суспензіями гідроокису і карбонатів. При збільшенні жорсткості, солоності і зважених часток його токсичність знижується, оскільки в цих випадках розчинність солей цинку зменшується. Сульфат цинку викликає гостре отруєння (5 днів) коропів в концентрації 10мг/л. Гостро токсичні концентрації іонів цинку складають для молоді форелі 0,4, молоді коропа 0,5мг Zn/л, а середньо смертельні (96 годин) для вухатого окуня 3,2мг Zn/л і тіляпії 1,6мг Zn/л. При гострому отруєнні відзначають 5 потемніння забарвлення тіла, набряк зябрових пелюсток, гіперплазію і злущення респіраторного епітелію. Для зоопланктону токсичні 0,08мг Zn/л. В період обмеженої фінансової допомоги фахівці з водної біоти якнайгостріше відчувають потребу у розробці досконаліших методів визначення вмісту важких металів у ланках водної екосистеми, що не потребують великої кількості хімічних реагентів, обладнання та інших затрат. Відомі способи визначення вмісту речовин шляхом розрахунку [О.А. Алекин, А.Д. Семенов, Б.А. Скопинцев. Руководство по химическому анализу вод суши, - Гидроеметеоиздат, Ленинград, 1973, 272с.]. Серед них - розрахунок вмісту двоокису вуглецю (СО2) по величині рН і концентрації НСО3 та розрахунок вмісту карбонатних іонів 2(СО3 ) по величині рН та лужності води. Недоліками вищезазначених способів є обмеження умов при розрахунку. Так, при розрахунку вмісту карбонатних іонів, мінералізація досліджуваної води повинна мати мінералізацію не вище 3-4г/кг, так як вище цієї межі розрахунок коефіцієнтів активності стає не надійним. Також недоліком цих способів слід вважати не універсальність знайдених формул, тобто формули здатні розрахувати тільки один показник. Складність розрахунку також є недоліками цих способів. Прототипом корисної моделі служить технічне рішення, згідно якого розрахунок вмісту іонів магнію (Мg2+) визначається по різниці між знайденою хімічним аналізом величиною суми кальцію і магнію [О.А. Алекин, А.Д. Семенов, Б.А. Скопинцев. Руководство по химическому анализу вод суши, Гидроеметеоиздат, Ленинград, 1973, с. 217.], тобто величиною загальної твердості (Н), та вмістом 2+ Са , що виражені в мг-екв: Мg2+=12,15(Н-Са2+)мг/л. При доволі простому розрахунку даний спосіб має недоліки. Розрахунок іонів магнію припустимий лише для вмісту магнію у воді, а для вмісту у всіх ланках водної екосистеми даний спосіб не може бути застосованим. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити спосіб прогнозування вмісту цинку (Zn) в екосистемі рибницьких ставів (ПЕП-Zn). У назві корисної моделі є абревіатура ПЕП, що означає прогнозування екосистемних показників. Для зручності, в подальшому замість вищезгаданого словосполучення буде використовуватися ПЕП. Так, наприклад, якщо мова буде йти за спосіб ПЕП-Zn, то це буде значити, що були проведені розрахунки з прогнозування екосистемних показників цинку (Zn). Згідно запропонованого способу прогнозування вмісту цинку (Zn) здійснюється шляхом розрахунку вмісту цинку (Zn) у донних відкладах, зоопланктоні, зообентосі, фітопланктоні, водній рослинності, органах і тканинах коропа та товстолоба за допомогою визначеній хімічним методом концентрації цинку (Zn) у воді рибоводних ставів. Хімічний метод визначення вмісту цинку (Zn) у всіх ланках водної екосистеми довготривалий і не дає можливості оперативно оцінювати стан екосистеми водойм за стресових ситуацій. Отримані 46876 6 нами розрахунки дають можливість оперативно контролювати вміст цинку (Zn) у водній екосистемі. Розрахунковий метод прогнозування вмісту цинку (Zn) у екосистемі водойм рекомендовано при екстремальних ситуаціях, моніторингових дослідженнях, коли їх визначення поряд з іншими показниками є оцінкою фізіологічного стану риб та інших гідробіонтів. Технічне рішення щодо розробки способу прогнозування вмісту цинку (Zn) в екосистемі рибницьких ставів ґрунтується на результатах досліджень. Протягом 1990-2008 років дослідження вмісту цинку (Zn) у воді, донних відкладах, зоопланктоні, зообентосі, фітопланктоні, водній рослинності, органах і тканинах коропа та товстолоба проводили у ставах дослідних господарств «Нивка» (м. Київ) та «Великий Любінь» (Львів. обл.), а також у ставах ВАТ «Сумирибгосп» (Сум. обл.) та «Донрибкомбінат» (Дон. обл.). Визначення вмісту цинку (Zn) у воді, донних відкладах, зоопланктоні, зообентосі, фітопланктоні, водній рослинності, органах і тканинах коропа та товстолоба проводили за допомогою атомноадсорбційного спектрофотометра С-115-м. При розробках способу прогнозування вмісту цинку (Zn) в екосистемі рибницьких ставів використовували програму «Statistics 6.0» з урахуванням особливостей біологічних об'єктів. На основі математичного аналізу розраховані середньостатистичні дані вмісту цинку (Zn) в екосистемі рибницьких ставів. Встановлена кореляція між вмістом цинку (Zn) у воді та кожною окремою ланкою екосистеми ставів (донних відкладах, зоопланктоні, зообентосі, фітопланктоні, водній рослинності, органах і тканинах коропа та товстолоба, що вирощувались при різних технологіях за двота трилітнім циклом). Для оперативної оцінки якості рибної продукції, а також встановлення причин різкого погіршення фізіологічного стану риб розроблений спосіб прогнозування вмісту цинку (Zn) у донних відкладах, зоопланктоні, зообентосі, фітопланктоні, водній рослинності, органах і тканинах коропа та товстолоба у органах і тканинах коропів та товстолобиків. Для цього розраховані кутові та поправні коефіцієнти щодо рівняння лінійної регресії між двома значеннями вмісту цинку (Zn) у воді та ланками екосистеми ставів табл. 1. Для цього необхідно хімічним методом визначити вміст цинку (Zn) у воді рибницьких ставів. На основі проведених аналізів води проводять розрахунки, де використовується формула: Мо=К Мв+В, де Мо - концентрація цинку (Zn) в об'єкті, мг/кг; Мв - концентрація цинку (Zn) у воді, мкг/л; К - кутовий коефіцієнт для рівняння лінійної регресії між двома значеннями концентрації цинку (Zn) у воді та об'єкті; В - поправний коефіцієнт. Похибка між розрахованою величиною та визначенням концентрації цинку (Zn) хімічним методом є близькою 15-30%. 7 46876 8 Таблиця 1 Кутові (К) та поправні (В) коефіцієнти для рівняння лінійної регресії між двома значеннями концентрації цинку (Zn) у воді та ланками екосистеми ставу Ланки екосистеми ставу Донні відклади Зообентос Зоопланктон Фітопланктон Водна рослинність Короп 1+, 2+ М'язи Зябра Нирки Печінка Шкіра Товстолоб 1+, 2+ М'язи Зябра Нирки Печінка Шкіра К -0,088 -0,76 -7,156 -21,7 0,11 -0,179 0,16 0,46 0,26 0,20 0,07 -0,21 -0,019 0,08 -0,42 Приклад. Хімічним методом було розраховано концентрацію цинку (Zn) у воді рибогосподарського ставу, яка була на рівні - 10,5мкг/л. Для прогнозування вмісту цинку (Zn) у всіх ланках екосистеми рибницьких ставів проводимо наступні розрахунки. Мдонні відклади=-0,088 10,5+25,31=24,39мг/кг; Мзообентос=-0,76 10,5+102,15=94,17мг/кг; Мзоопланктон=-7,156 10,5+519,96=444,82мг/кг; Мфітопланктон=-21,7 10,5+1219,0=991,15мг/кг; Мводна рослинність =0,11 10,5+33,949=35,10мг/кг; Мм'язи коропа=-0,179 10,5+13,948=12,07мг/кг; Мзябра коропа=0,16 10,5+106,71=108,39мг/кг; Мнирки коропа=0,46 10,5+88,34=93,17мг/кг; Мпечінка ксропа=0,26 10,5+48,158=50,89мг/кг; Мшкіра коропа=0,20 10,5+62,853=64,95мг/кг; Мм'язи товстолоба=0,07 10,5+9,85=10,59мг/кг; Мзябра товстолоба=-0,21 10,5+30,931=26,63мг/кг; Комп’ютерна верстка М. Ломалова В 25,31 102,15 519,96 1219,0 33,949 13,948 106,71 88,34 48,158 62,853 9,85 30,931 23,488 25,27 60,084 Мнирки товстолоба=-0,019 10,5+23,488=23,29мг/кг; Мпечінка товстолоба=0,08 10,5+25,27=26,11мг/кг; Мшкіра товстолоба=-0,42 10,5+60,084=55,67мг/кг. Проведеними дослідженнями встановлено, що вміст цинку (Zn) у ланках екосистемі ставів можна розрахувати за концентрацією їх у воді. Контрольні розрахунки показали, що концентрації цинку (Zn) визначені хімічним та розрахунковим методом відрізняються у незначній мірі. Розроблений спосіб прогнозування вмісту цинку (Zn) є доцільним та необхідним у моніторингових дослідженнях, а також у рибоводних та іхтіологічних дослідженнях, коли визначення концентрацій важких металів у ланках екосистем є оцінкою екологічного стану рибогосподарських ставів. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601