Спосіб контролю та регуляції якості води методом біотестування

1. Спосіб контролю та регуляції якості води методом біотестування в технології водопідготовки питних фасованих вод, що включає комплексне біотестування води з використанням простих біо U 1 3 34652 4 джень і випробувань визначаються в залежності методикою викладеною в [Trottier S., Blaise С, Kuвід вододжерел, технології водопідготовки, якості sui Т., Johnson E.M. //En viron. Toxicol. Water Qual., готової продукції. 1997, vol.12, P.265-271] [5]; на представнику хреКритерії, за якими оцінюються фасовані вод, бетних тварин рибі (гуппі Роесіlliа reticulata) - віднаступні: органолептичні властивості (прозорість, повідно до рекомендацій ДСТУ 4074-2001; на відсутність запахів і т.д.), нешкідливість хімічного представнику рослинних тест-організмів цибулі складу (яка визначається її відповідністю нормаАllіum сера - відповідно методиці, описаної в [Fiskтивам за змістом основних сольових компонентів, esjo G. //En viron. To xicol. Water Qual., 1993, vol.8, за змістом токсичних металів І, II і III класів небезP.461-470] [6]. пеки, за змістом токсичних неметалічних елеменСлід зазначити, що цитологічні дослідження тів і галогенів, за змістом органічних речовин анпроводять на клітинах тих же тест-організмів, що тропогенного і природного походження, за використовуються для оцінки загальної токсичносузагальненими і окремими показниками), радіаційті, а саме: цибулі (рослина), гідри (безхребетні) і на безпека (яка визначається її відповідністю норриби (хребетна тварина). Набір клітинних парамемам радіаційної безпеки за показниками питомої, трів містить у собі частку клітин з мікроядрами (ресумарної, альфа- і бета- активності). Використовуєструють стр уктурні порушення в спадковому апається також критерій епідеміологічної безпеки: він раті клітини) і кількісні характеристики ядерець визначається її відповідністю нормативам за мік(відображають зміни метаболічної активності кліробіологічними і паразитологічними показниками, тин). тобто вода не повинна містити збудників інфекційЦитотоксичність водних зразків визначали на них захворювань (дифтерії, гепатиту, паразитарклітинах рослинних і тваринних тест-організмів за них захворювань). ядерцeвим біомаркером відповідно до методики, Як випливає із сутності нормативного докумевикладеної в [Arkhipchuk V.V., Garanko N.N. нту [2], при визначенні якості водії враховуються //Environ. Toxicol., 2002, vol.17, N 3, P.187-194] [7]. тільки фізико-хімічні й епідеміологічні показники Генотоксичність водного середовища оцінювали без результатів проведення біомоніторинга. за допомогою мікроядерного тесту на клітинах риб Таким чином, основним недоліком відомого відповідно до методики, описаної в [Al-Sabti К., способу [2] є недостатній, за сукупністю визначеMetcalfe CD. //Mutat. Res., 1995, vol. 343, N2-3, них показників, контроль якості питних фасованих P.121-135] [8], і на клітинах цибулі по [Reddy N.M., вод, що, на думку заявника, може привести до Panda K.K., Subhadra A.V., Panda B.B. //Biol. Zent. збільшення ризику здоров'я людей, що споживаbl., 1995, vol.114, N4, P.358-368] [9]. Підрахунок ють фасовану воду. мікроядер проводили відповідно до рекомендацій Для оцінки якості (токсичності) водного сере[Fenech М., Chang W.P., Kirsch-Volders М. et al. довища заявник розробив її комплексний аналіз //Mutat. Res., 2003, vol. - 534, N1-2, P.65-75] [10]. методами біотестування [Патент України N55842А. Універсальність клітинної організації відкриває Ар хипчук ВВ., Гончарук В.В. Спосіб діагностики широкі можливості для токсикологічних досліякості водного середовища. 2003. Бюл. N4, джень із застосуванням різних груп тварин і рос15.04.2003] [3]. лин і наступною екстраполяцією отриманих реРозширюючи і поглиблюючи область практичзультатів на клітини й організм людини. Тому ного застосування розроблених методів біотестувикористання клітинних біомаркерів самих по собі вання, заявник провів оцінку якості ряду питних або ж у сполученні з традиційними методами на бутильованих вод [Ар хипчук ВВ., Гончарук В.В. організмовому рівні вкрай необхідно на сучасному Оценка качества питьевых бутылированных вод етапі оцінки якості питних вод. методами биотестирования //Химия и технология Була проведена оцінка якості 12 марок питних воды - 2004. - Т.26, №5. - С.485-525] [4]. Визначенфасованих вод (мінералізацією менш 1г/дм 3) меня якості питної фасованої води здійснювали шлятодами біотестування. Як контроль використовухом комплексного використання оптимального вали середовище культивування безхребетних набору як тест-організмів (біотестів), так і клітинтест-організмів: бідистильовану воду з мінімально них показників-біомаркерів). необхідним набором солей [ДСТУ 4173-2003. Критеріями оцінки якості вод служили стандаЯкість води. Визначення гострої летальної токсичртні показники здатності вижити, розвитку і розності на Daphnia magna Straus та Ceriodaphnia множення тваринних і рослинних тест-організмів, а affinis Lilljeborg (Cladocera, Crustacea)] [11]. також структурні (за мікроядерним тестом) і функВикористаний набір тест-організмів дозволив ціональні (за ядерцевим біомаркером) параметри оцінити загальну токсичність досліджених вод, для їхні х клітин. кількісного вираження якої - розроблений індекс Комплексний аналіз методами біотестування, загальної токсичності Ізт [Arkhipchuk V.V., Romaщо доводить відсутність у питній воді яких-небудь nenko V.D., Malinovskaya M.V. et al. //En viron. To xiтоксичних речовин, потенційно небезпечних для col., 2000, vol.15, N4, P.277-286] [12]. Величина живого організму і його клітин, є переконливим індексу являє собою суму е фектів усі х біотестів, аргументом на користь нешкідливості за хімічним включених у ба тарею; наприклад, для одного росскладом тієї або іншої марки фасованої води. линного і трьох тваринних біотестів максимальна Гостра і хронічна токсичність водних зразків величина індексу не може перевищува ти 400 одивизначені на представнику безхребетних тварин ниць. Чим більше значення Ізт, тим вище ступінь церіодафнії Ceriodaphnia affinis згідно ДСТУ 4173токсичності водного середовища: 2003 і ДСТУ 4174-2003; на ще одному представниІзт до 50од. - вода безпечна; ку безхребетних тварин гідрі Hydra attenuata - за Ізт у межах 50-100од. - вода відносно безпечна; 5 Ізт у межах 100-200од. - вода небезпечна; Ізт більш 200од. - вода небезпечна. 34652 6 У таблиці 1 представлені дані по загальній токсичності для трьох марок питних фасованих вод, що характеризуються різними величинами Ізт. Таблиця 1 Комплексна оцінка 3 марок питних фасованих вод за індексом загальної токсичності (Ізт) № Марка бутильованої води п/п 1 «Бебивита» 2 «Бон Аква» 3 «Винни» церіодафнія 13,4 11,0 100 Для досліджених фасованих вод також проведена оцінка цитотоксичності і генотоксичності з використанням рослинних і тваринних клітин. Цитотоксичність питних вод характеризували за варіюванням сумарної ядришкової активності клітин, а саме, за змінами кількісних параметрів ядерець (відхилення від контрольних показників за розміром ядерець, часткою клітин з гетероморфними парними ядерцями і числом ядерець у клітині). Для трьох марок вод, представлених у таблиці 1, а саме «Бебивита», «Бон Аква» і «Винни», сумарні відхилення від контролю зазначених параметрів склали 42%, 47% і 54% відповідно. Також як показники цитотоксичності використані зміни мітотичного індексу (проліферагивна активність) у клітинах рослин. У водах "Бебивита" і «Бон Аква» величини мітотичного індексу були близькі до контрольного. Вода "Винни" більш ніж наполовину знизила індекс проліферативної активності, тобто виявила чітко виражений цитотоксичний вплив на рослинні клітини. Оцінку генотоксичності фасованих вод за мікроядерним тестом проводили за частотою клітин рослинних і тваринних - з мікроядрами і подвійними ядрами Зазначені в таблиці 1 води, а саме «Бебивита», «Бон Аква» і «Винни», не вплинули на формування мікроядер і подвійних ядер у клітинах рослин і тварин, тобто вони не були генотоксичними. Таким чином, відомий спосіб [4] комплексного біотестування водного середовища шляхом визначення її токсичності, цито- і генотоксичності є ефективним засобом для об'єктивної оцінки якості фасованих вод. З аналізу відомих технічних рішень [2, 4] випливає, що при їхній реалізації здійснюють тільки оцінку якості води після її обробки на всіх етапах водопідготовки [2] або тільки готової розфасованої води [4]. У патентній і науково-технічній літературі не виявлені технічні рішення, які реалізують всебічний і об'єктивний контроль технологій виробництва фасованих вод. Відсутність контролю за допомогою комплексного біотестування в процесі очищення вихідної води, після кожного етапу обробки води, в одержанні готової розфасованої води негативно відбивається на якості кінцевого продукту, що може позначитися на споживчих властивостях реалізованої фасованої води. В основу корисної моделі поставлена наступна задача: розробити спосіб біотестування технології біотести Ізт Категорія води гідра риба цибуля 19,9 0 9,8 43,1 Безпечна 50,0 5 10,7 76,7 Відносно безпечна 19,6 10 10 139,6 Небезпечна виробництва фасованих вод, у якому контроль за якістю води здійснюється на кожному виробничому етапі з одночасною корекцією технологій водопідготовки, які не забезпечують необхідної якості води, що гарантувало б досягнення екологічної безпеки, а отже, і мінімального ризику здоров'ю людини, кінцевого продукту - питної фасованої води. Для рішення поставленої задачі запропонований спосіб біотестування технології виробництва фасованих вод, у якому, відповідно до корисної моделі, біотестування здійснюється у дві стадії. На 1-й стадії біотестування проводять одним-двома найбільш простими і чутливими біотестами, на 2-й стадії-використовують батарею біотестів, що складається з рослин, безхребетних і хребетних тварин, а також їхніх клітин - набору біомаркерів, і комплексно визначають токсичність, цито- і генотоксичність води, причому біотестування на 2-й стадії здійснюють при відсутності токсичності води за результатами аналізу на 1-й стадії. При цьому як біотести на 1-й стадії використовують церіодафнії і/або гідри. Нами встановлено, що застосування запропонованого способу біотестування (експрес-аналізу в сполученні з повним біотестуванням) для регулювання технології виробництва фасованих вод дозволило провести моніторинг і налагодження екологічно безпечного виробництва шляхом контролю якості води на різних етапах технологічного процесу водопідготовки й одержати екологічно безпечну питну воду. Приклад виконання за винаходом Технологія виробництва питної фасованої води передбачає використання різних типів вод (підземної, водопровідної й ін.) для бутилювання, що пройшли наступні етапи обробки: 1 - озонування, 2 - ультрафіолетове опромінення, 3 - очищення активованим вугіллям, а також розлив підготовленої води в тар у. Комплексний аналіз води проводять методом біотестування як на організмовому, так і на клітинному рівнях, причому на кожнім з цих рівнів у свою чергу використовуються підходи, що дозволяють одержати комплексну оцінку токсичного впливу. Зокрема, на рівні організму аналізуються реакції представників різних систематичних груп і трофічних рівнів (гостра і хронічна токсичності); на рівні клітини - стр уктурні і функціональні зміни генетичного апарату (генотоксичності і цитотоксичності). Для тестування використовують батарею біотестів, що складається з двох представників безх 7 34652 8 ребетних тварин: церіодафнії Ceriodaphnia affitris, і - 0%), тобто вона нетоксична. Біотестування води гідри Hydra attenuata, представника хребетних після 1-го етапу обробки води (після озонування) тварин - риби гуппі Роесіlliа reticulata); і представпоказало токсичні властивості води (60%-на смерника рослинних тест-організмів - цибулі Аllіum сетність церіодафній і 40%-на сублетальність гідри), ра. що зберігалися і на наступних етапах водопідготоБіотестування технології виробництва питної вки: №2 - ультрафіолетове опромінення; №3 фасованої води включає дві стадії. очищення активованим вугіллям. На 1-й стадії проводять експрес-аналіз зразка Після внесення змін у процес водопідготовки води з використанням тільки двох біотестів: церіона етапі №1, результати експрес-аналізу з викоридафнії і гідри. Вибір цих тест-організмів обумовлестанням біотестів з церіодафніями і гідрами поканий тим, що церіодафнія і гідра є найпростішими і зали відсутність гострої токсичності в досліджувачутливими серед інших біотестів для визначення ній воді на всіх трьох етапах її технологічної гострої токсичності [Ар хипчук В.В., Малиновская обробки, а також у кінцевому продукті. М.В. //Химия и технология воды, 2000, т.22, N4, Таким чином, після внесених технологічних С.428-443] [13]. змін у процес водопідготовки експрес-аналіз саЯк досліджуваний зразок беруть готову фасомими чутливими методами біотестування оцінив вану воду, а як контроль - середовище культивувихідну воду, всі етапи її обробки і готову фасовавання тест-організмів [11]. За результатами- ексну воду, як екологічно безпечні або нетоксичні. прес-аналізу смертність церіодафній складала Після цього здійснюють другу стадію біотесту60%, а показник (суб)летальності у гідри дорівнювання, використовуючи всю батарею біотестів, що вав 40% у гостри х експериментах (48 і 96 годин, складається з рослинних, безхребетних і хребетвідповідно). Згідно [Wang W. //Res. J. Water Pollut. них тест-організмів (характеристика яких предстаControl Fed. - 1990. - vol.62, N7. - P.853-860] [14] влена раніше), а також набору біомаркерів росзразок відноситься до нетоксичних, якщо відхилинних і тваринних клітин (характеристика яких лення параметру, що аналізується, не перевищує теж представлена раніше). 20% від контролю. У даному випадку відхилення На організмовому рівні одержують об'єктивну від контролю в 2-3 рази перевищує величину 20%, оцінку впливу досліджуваного зразка води на тващо дозволяє віднести досліджену фасовану воду ринні і рослинні біотести шляхом визначення токдо токсичного. Отже, досліджувана вода виявила сичності води за величиною індексу загальної токтоксичні властивості, тобто вона не була екологічсичності (Ізт) - Кількість видів, залучених в но безпечною, за результатами експрес-аналізу. експеримент, автоматично визначає найбільше Для визначення етапу водопідготовки, який значення Ізт. У даному дослідженні з одним роспродукує токсичний ефект, проводять експреслинним і трьома тваринними біотестами максимааналіз (з використанням самих чутли вих біотестів) льна величина індексу не може перевищува ти 400 вихідної води і води після кожного етапу її обрободиниць. ки. За даними експрес-аналізу ви хідна вода (приСпочатку визначають токсичність розфасовародна, артезіанська) не виявила яких-небудь неганої води. Результати комплексного біотестування тивних ефектів для церіодафній і гідри (смертність готового продукту, виражені за допомогою індексу церіодафній - 0%, показник (суб)летальності гідри загальної токсичності, представлені в Таблиці 2. Таблиця 2 Досліджена вода Готова фасована Церіодафнія 10,0 З даних таблиці 2 випливає, що розфасована вода за результатами комплексного біотестування є безпечною, оскільки величина індексу загальної токсичності не перевищує 50 одиниць [12]. Найбільш небезпечні для споживання води, що сполуча ть чітко виражені токсичні властивості з цито- і генотоксичними ефектами. Наступні дослідження готової фасованої води були проведені на клітинному рівні, у відповідності з запропонованою нами схемою комплексного біотестування. Як по Біотести Гідра Риба Величина тест-функції 5,0 0 Цибуля S, Ізт 10 25,0 казники цитотоксичності використані морфологічні порушення ядерцевих стр уктур у клітинах тварин і зміни мітотичного індексу в клітинах рослин (активність їхнього розподілу). Як показники генотоксичності визначені частоти клітин - рослинних і тваринних - з мікроядрами і подвійними ядрами. Оцінка цитотоксичності фасованої води за морфологічними порушеннями ядерець і змінам мітотичного індексу в клітинах тварин і рослин представлена в Таблиці 3. 9 34652 10 Таблиця 3 Клітини рослин (цибуля) Клітини тварин (гідра) Мітотичний індекс, %о Морфологічні порушення ядерець, % Контроль (синтетична Контрольний рівень клітин, що Контрольний рівень клітин з морфологічними поподіляються прісна вода) рушеннями ядерець (5%) (60‰) Розфасована вода, про- Контрольний рівень клітин, що Контрольний рівень клітин з морфологічними поподіляються ба №1 рушеннями ядерець (8%) (57‰) Досліджена вода У результаті проведених досліджень на цитотоксичність за показниками ядерцевої активності і частоті розподілу клітин встановлено, що проба фасованої води не порушувала контрольного рівня у функціонуванні рослинних і тваринних клітин за даними показниками, отже, цитотоксичні ефекти були відсутні. Оцінка генотоксичності фасованої води за мікроядерним тестом з використанням рослинних і тваринних клітин представлена в Таблиці 4. Таблиця 4. Досліджена вода Контроль (синтетична лріснавода) Розфасована вода, проба №1 Клітаиирослин (цибуля) мЯ 2Я n ‰ n ‰ n Клітииитварин (риоа) 2Я ‰ n ‰ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0,33 0 0 3 1,0 3 1,0 2,0*** мЯ S, ‰ Примітка. мЯ - частота клітин з мікроядрами; 2Я - частота клітин з подвійними ядрами; *** - р