Спосіб біотестування токсичності атмосферних опадів

Реферат: Спосіб біотестування токсичності атмосферних опадів (АО) за допомогою набору тест-об'єктів з визначенням загальноприйнятих видів токсичності (гострої і хронічної, цито- і генотоксичності), причому біотестування АО здійснюється за використання набору тест-об'єктів з двох рослинних (А. сера, L. minor) і двох тваринних (P. ridsbundus, U. pictorum) форм і дозволяє крім неспецифічних реакцій тест-об'єктів виявляти також їх специфічні реакції на хронічну кислотну дію АО (зменшення кількості кореневих волосків у цибулі та порушення покривів стулок у перлівниці) з розрахунком відповідного індекса (ІКД АО), який не повинен бути вищим за 50 %. UA 115503 U (54) СПОСІБ БІОТЕСТУВАННЯ ТОКСИЧНОСТІ АТМОСФЕРНИХ ОПАДІВ UA 115503 U UA 115503 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель відноситься до сфери біологічних методів тестування об'єктів навколишнього середовища, і може бути застосована у таких галузях як екологія, охорона довкілля, метеорологія, природокористування, сільське та лісове господарство для визначення гострої і хронічної токсичності та цито- і генотоксичності вологих атмосферних опадів. Забруднення атмосферних опадів належить до глобальних проблем сьогодення, пов'язаних із зміною кліматичних умов на планеті. Найбільш поширеним вважається забруднення опадів сульфатною та нітратною кислотами, що утворюються у повітряному просторі з оксидів Сульфуру та Нітрогену, які викидаються переважно промисловими підприємствами та автотранспортом. В останнє десятиліття внаслідок підвищеного вмісту в атмосферному повітрі вуглекислого газу до цих кислот додалась карбонова, значно слабша, однак у недалекому майбутньому - найбільш розповсюджена у складі вологих опадів [5]. Загальновідомим є негативний вплив кислотних дощів на ґрунти, природну рослинність і тварин, особливо лісових екосистем, сільськогосподарські культури, води річок та водойм. Проте, ще більшої шкоди порівняно з дощами завдають кислотні сніги. Вони можуть накопичуватися протягом тривалого часу, додатково забруднюючись нафтопродуктами, солями важких металів, пестицидами, детергентами та іншими полютантами [10]. Злежалий сніг здатен набувати надзвичайно високих рівнів токсичності, оскільки досить часто містить велику кількість екотоксикантів, в результаті трансформації яких, особливо з появою талих вод, відбувається ефект летального синтезу (підвищення токсичності). Активне танення такого снігу під час відлиги та у весняний період сприяє значному забрудненню ґрунтів і водних об'єктів, зокрема їх закисненню. Підвищену кислотність мають опади у багатьох країнах світу. Для України вони теж стали типовим явищем. Площа кислих ґрунтів в країні займає понад 30 % і має тенденцію до зростання [10]. Значну небезпеку несуть також атмосферні опади, забруднені мутагенами та канцерогенами, такими як радіоактивні речовини, важкі метали (перш за все Хром (VI), Кадмій, Плюмбум), поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ) тощо, оскільки під їх впливом у людини і вищих тварин можуть виникати онкозахворювання та інші віддалені наслідки [1]. Для того, щоб визначити ступінь забруднення атмосферних опадів, традиційно використовують фізико-хімічний аналіз, методи якого (хроматографія, іонометрія, масспектрометрія та інші) є довготривалими, вимагають застосування складних в обслуговуванні та дорогих приладів [5]. До того ж, за допомогою цих методів визначають лише вміст певних сполук у складі опадів, що однак не дозволяє передбачати рівні їх токсичності відносно живих істот. Крім цього атмосферні опади можуть містити речовини та комплекси, в тому числі знову синтезовані, які важко ідентифікувати зазначеними методами [6]. Вказані недоліки суттєво знижують ефективність застосування фізико-хімічного аналізу щодо визначення небезпечності атмосферних опадів для довкілля. В зв'язку з цим, у ряді досліджень було запропоновано поряд з іншими методами використовувати біотестування, яке за відносно короткий проміжок часу при невисокій собівартості дозволяє визначити загальну токсичність опадів по відношенню до організмів. Як найбільш забруднений вид атмосферних опадів, як правило, досліджується сніговий покрив, відібрані проби якого тестуються після їх танення [7, 9]. У дослідженнях О.В. Абросимової, М.А. Викової, М.Ю. Меркулової та ін. (2013) токсичність снігового покриву була визначена за допомогою наступних тест-об'єктів: Daphnia magna S., Lemna minor L, Raphanus sativus L. (сорт Червоний з білим кінчиком), Triticum durum Desf. (сорт Фаворит). Отримані у біотестуванні дані дозволили разом з результатами хімічного та мікробіологічного аналізу здійснити оцінювання екологічного стану і ступеня антропогенного навантаження урбосистем м. Саратова [7]. Недоліком зазначеного способу є обмеженість у відборі і тестуванні проб атмосферних опадів. Тобто така оцінка урбоекосистем виключає можливість визначення токсичності будь-яких інших видів опадів, окрім снігового покриву, навіть незважаючи на те, що вони теж здатні давати суттєвий внесок у забруднення індустріально розвиненого міста (у вигляді кислотних, радіоактивних дощів тощо). Також у дослідженнях взагалі не приділяється увага необхідності виявлення генотоксичності злежалого снігу. За прототип корисної моделі нами було вибрано "Спосіб контролю забруднення атмосфери через біотестування атмосферних опадів", розроблений Л.С. Кіпніс, С.М. Маджд, Г.М. Франчук (2004) [3]. Автори пропонують визначати гостру токсичність атмосферних опадів та їх цито- і генотоксичність шляхом використання уніфікованих тест-об'єктів (Daphnia magna S, А Шит сера L. та Lactuca sativa L.). Недоліком способу є те, що у ньому не враховуються хронічні ефекти дії опадів, він також не дозволяє отримувати інформацію про реакцію дослідних істот на вміст кислот у складі опадів. 1 UA 115503 U 5 10 15 20 25 30 35 40 В зв'язку з цим, для розробки корисної моделі способу біотестування атмосферних опадів ми пропонуємо порівняно з прототипом збільшити число видів тест-об'єктів (взяти по 2 види рослин і тварин), включивши до їх складу такі, що мають специфічні реакції на кисле середовище і на найбільш поширені мутагени. Доцільним є також визначення хронічної токсичності опадів. Запропонована нами корисна модель полягає у біологічному тестуванні атмосферних опадів за допомогою набору тест-об'єктів, що складається з цибулі звичайної (Allium сера L), ряски малої (Lemna minor L.), перлівниці звичайної (Unio pictorum L.) та пуголовків жаби озерної (Pelophylax ridibundus P.), використання яких дозволяє виявляти декілька видів токсичності опадів (гостру, хронічну, цитологічну та генну) і оцінювати їх рівні за допомогою розрахунку комплексних та інтегральних індексів. Задачею корисної моделі є розробка способу біотестування атмосферних опадів щодо виявлення їх потенційної небезпеки для живих істот. Поставлена задача вирішується шляхом визначення показників, що характеризують тестреакції організмів на дію атмосферних опадів: - порушення рухової активності, в тому числі іммобілізації (нерухомості), пуголовків жаб, ступеня розкриття стулок у перлівниць, довжини кореневого пучка у цибулі, довжини кореня ряски і морфофізіологічних змін у тканинах її лопатів (на гостру та хронічну токсичність); - появи некротичних клітин у тканинах лопатів ряски, утворення мікроядер в клітинах зони росту корінців цибулі і хвостового відростку пуголовків жаб (на цито- та генотоксичність); - зменшення кореневих волосків у цибулі та порушення покривів стулок у перлівниці (на кисле середовище). Для перевірки ефективності розробленої нами корисної моделі порівняно з прототипом, було проведено лабораторний дослід з біотестування токсичності талих вод, отриманих з проб снігу, відібраних на відстані 20 м від автотраси: свіжого, який збирався 2 доби, та злежалого зібраного протягом 10 діб [2]. Вплив талих вод на тест-об'єкти (аналоги за віком та розмірами), використані у базовому варіанті та запропонованому нами способі, був досліджений протягом 2-ох діб на гостру токсичність та 8-ми діб - на хронічну, цитологічну та генну токсичність. Після 8-добового тестування проводили мікроядерний тест та виявляли ознаки присутності кислот. Отримані дані порівнювали з контролем, як такий застосовували водопровідну воду, відстояну 1 добу. На основі отриманих даних здійснювали комплексну оцінку небезпечності снігового покриву окремо для кожного тест-об'єкта з визначенням індексів токсичності. Цитотоксичність виявляли на клітинах корінців цибулі, кореня та лопатей ряски за кількістю некротичних клітин, які утворились впродовж 8 діб. Генотоксичність визначали на цибулі та пуголовках жаб за мікроядерним індексом [8, 11, 12]. Аналогічні дослідження проводили на тест-об'єктах базового варіанта. Цибулю використовували в обох способах біотестування. Всі індекси у дослідних групах були визначені порівняно з контролем. Хронічну дію кислот у складі снігу досліджували за зменшенням кількості кореневих волосків цибулі та пом'якшенням верхнього шару покривів стулок у перлівниць, використовуючи оригінальну методику з визначенням індексу кислотної дії атмосферних опадів (ІКДАО). Розрахунок запропонованого нами індексу, що характеризує ефект впливу кислот на тестоб'єкти (ІКДАО), здійснювали за наступною формулою: 45 ІКДАО=(ІК-ІД)•100/ІК, 50 55 де: ІКДАО - індекс кислотної дії атмосферних опадів, %; ІК - величина тест-реакції цибулі та перлівниць у контролі; ІД - величина тест-реакції цибулі та перлівниць у досліді. Для інтегральної оцінки токсичності снігу розраховували середньоарифметичні значення кожного із вказаних індексів. Результати досліджень, наведені у таблиці, показали високу ефективність розробленого нами способу біотестування. Хоча запропонований спосіб є тривалішим і складнішим у виконанні порівняно з базовим, однак він більш чутливий та інформативний, дозволяє повніше охарактеризувати ступінь небезпеки атмосферних опадів для живих істот. За його допомогою можна виявити чотири види токсичності та ідентифікувати хронічну дію вологих опадів з підвищеною кислотністю. 2 UA 115503 U 5 За даними біотестування нами розроблено шкалу рівнів токсичності атмосферних опадів, що є більш зручною, ніж у прототипі [3]. При її створенні було враховано, що індекс токсичності опадів не повинен перевищувати 50 %.: 1-25 % - допустимий рівень токсичності; 26-50 % - низький рівень токсичності; 51-75 % - середній рівень токсичності; 76-100 % - високий рівень токсичності. Таблиця Порівняльний аналіз способів біотестування проб снігу з різним ступенем забруднення (n=10) Дослідні групи Д-1 Д-2 Д-1 Д-2 Д-1 Д-2 10 15 20 25 30 35 Базовий спосіб (прототип), Запропонований спосіб, Т (%) Т (%) IT, % Dm Ac Ls Рr Up Ас Lm Гостра/ хронічна токсичність: См ПРК ПРК Ім Рс ПРК ПКЛ, ПРК 26,4/ 20,8/ 24,6/ 29,6/ 20,8/ 31,3/ 52,8 27,6/ 52,4 45,8 38,7 45,3 47,3 38,7 64,3/ 41,0/ 59,0/ 67,8/ 41,0/ 68,9/ 76,6 66,1/ 71,9 83,0 69,5 87,4 86,0 69,5 Цитотоксичність (ЦТ)/ генотоксичність (ГТ): 44,8/ 42,3/ 44,8/ ГТ 62,8 52,4 ЦТ 58,4 53,8 58,4 66,1/ 61,0/ 66,1/ ГТ 76,6 71,9 ЦТ 78,0 80,4 78,0 Хронічна кислотна дія: 47,3 38,7 67,8 58,5 IT, % 27,3/ 47,8 61,0/ 76,0 48,6/ 60,6 69,0/ 77,3 43,0 63,2 Умовні позначення: Д-1 - сніг, зібраний протягом 2 діб; Д-2 - сніг, зібраний протягом 10 діб; Dm-Daphnia magna S.; Ac-AIlium сера L.; Ls-Lactuca sativa L.; Pr-Pelophylax ridibundus P.; Up-Unio pictorum L.; Lm-Lemna minor L. Cм - смертність дафній за 2 доби; Ім - іммобілізація пуголовків жаб за 2 та 8 діб; ПРК - пригнічення росту корінців цибулі і кореня ряски за 2 та 8 діб; салату - за 2 доби; ПКЛ - порушення фізіологічного стану клітин лопатей ряски; Рс - ступінь розкриття стулок у перлівниць за 2 та 8 діб. Таким чином, запропонований нами спосіб біотестування у порівнянні з аналогічними є більш чутливим і точним у визначенні, дозволяє адекватно оцінювати впливи антропогенних факторів на склад атмосферних опадів, а деяка складність у виконанні тестів цілком компенсується високою вірогідністю отриманих даних. Джерела інформації: 1. Василенко В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - 181 с. 2. ГОСТ 17.1.5.05-85. Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков. 3. Деклараційний патент № 63446А на винахід. Спосіб контролю забруднення атмосфери через біотестування атмосферних опадів/ Л.С. Кіпніс, С.М. Маджд, Г.М. Франчук. - № 2003043550 Заявл. 18.04.03; Опубл. 15.01.04// Промислова власність: Бюл. - 2004. - № 1. 4. КНД 211.1.4.054-97. Методика визначення гострої токсичності води на ракоподібних Daphnia magna Straus. 3 UA 115503 U 5 10 15 20 5. Кубланов С.Х. Моніторинг довкілля/ С.Х. Кубланов, Р.В. Шпаківський. - К.: ДІПК Мінекобезпеки України, 1998. - 92 с. 6. Методические рекомендации по оценке аэротехногенного загрязнения природных сред химическими элементами по результатам мониторинга снежного покрова: утв. приказом Министра экологии и природных ресурсов Республики Татарстан от 26.02.2010. - № 131. 7. Оценка экологического неблагополучия урбосистем на основе данных мониторинга снежного и почвенного покровов (на примере г. Саратова)/ О.В. Абросимова, М.А. Быкова, М.Ю. Меркулова, Е.И. Тихомирова// Вестник СГТУ, 2013. - № 4 (73). - С. 239-244. 8. Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов. - М.: РЭФИА, НИА-Природа, 2002. 118 с. 9. Франчук Г.М., Кіпніс Л.С, Маджд С.М. Перспективи розробки методів біотестування для контролю впливу на довкілля авіатранспортних процесів/ Г.М. Франчук Л.С. Кіпніс, C.M. Маджд / Матеріали V міжнар. наук.-техн. конф. "Авіа-2003". Т. 2. - К.: НАУ, 2003. - 378 с. 10. Фурдичко O.I. Нормування антропогенного навантаження на природне середовище:/ О.І. Фурдичко, В.П. Славов, А.П. Войцицький. - К.: Основа, 2008. - 360 с. 11. Biological Test Method: Test of Larval Growth and Survival Using Fathead Minnows, Environment Canada, Conservation and Protection. - Ottawa, Ontario, 1992. - Report EPS 1/RM/22. 70 p. 12. Biological Test Method: Test for Measuring the Inhibition of Growth Using the Freshwater Macrophyte, Lemna minor / Method Development and Applications Section Environmental Technology Centre, EnvironmentCanada. Ottawa, Ontario, 2007. - Report EPS 1/RM/37. - 112 p. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 45 1. Спосіб біотестування токсичності атмосферних опадів (АО) за допомогою набору тестоб'єктів з визначенням загальноприйнятих видів токсичності (гострої і хронічної, цито- і генотоксичності), який відрізняється тим, що біотестування АО здійснюється за використання набору тест-об'єктів з двох рослинних (А. сера, L. minor) і двох тваринних (P. ridsbundus, U. pictorum) форм і дозволяє крім неспецифічних реакцій тест-об'єктів виявляти також їх специфічні реакції на хронічну кислотну дію АО (зменшення кількості кореневих волосків у цибулі та порушення покривів стулок у перлівниці) з розрахунком відповідного індексу (ІКД АО), який не повинен бути вищим за 50 %. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що біотестування АО на гостру та хронічну токсичність здійснюється відповідно на 2-гу і 8-му добу досліджень за наступними тестознаками організмів: порушення рухової активності, у тому числі іммобілізація (нерухомість) пуголовків жаб, ступінь розкриття стулок у перлівниць, довжина кореневого пучка у цибулі, довжина кореня ряски і морфофізіологічні зміни у тканинах її лопатів. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що біотестування АО на цито- та генотоксичність здійснюється на 8-му добу досліджень за наступними тест-ознаками організмів: поява некротичних клітин у тканинах лопатів ряски, утворення мікроядер в клітинах зони росту корінців цибулі і хвостового відростку пуголовків жаб. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що за усіма тест-ознаками організмів у дослідних групах порівняно з контролем визначено індекси токсичності АО, і як їх середньоарифметичне значення розраховано відповідні інтегральні індекси токсичності, перевищення яких понад 50 % свідчить про небезпечність АО для живих істот та довкілля. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4