Использование биологического тестирования в системе оценки биологической полноценности среды

Неполная утилизация отходов различного рода производств и прогрессирующее возрастание объема вредных выбросов, применение чрезмерных доз удобрений, а также аварии на химических предприятиях и других объектах превратили охрану окружающей среды в одну из наиболее актуальных проблем человечества.

В настоящее время в биосфере находится около 6 млн индивидуальных химических соединений, многие из которых являются чужеродными живым организмам. Только в бывшем СССР ежегодно синтезировалось около 40 000 новых соединений, причем 10 % имело перспективу широкого использования. Очевидно, что разработка методов аналитической химии значительно отстает от темпов нарастающего включения веществ в биосферу. С другой стороны, биологическое действие смеси веществ, как правило, не является суммой эффектов каждого из них в отдельности. В водном бассейне, в почве присутствует сложная смесь как исходных загрязнителей, так и продуктов их превращений – соединений вторичного происхождения. Комбинация химических соединений может либо усилить (синергизм), либо ослабить (антагонизм) их биологическое действие.

Существующая система экологического мониторинга природной среды, базирующаяся на определении химического состава и сопоставления его с ПДК индивидуальных веществ и гидрохимическими показателями, не дает возможности в полной мере оценить создавшуюся ситуацию по следующим причинам:

§ дороговизна, трудоемкость и продолжительность проведения анализа;

§ ограниченное количество установленных ПДК в окружающей среде и практическое отсутствие таковых для почв (для почв, как правило, используются ориентировочно-допустимые концентрации). Существующие предельно допустимые концентрации (ПДК) (например, для водоемов установлены ПДК всего лишь приблизительно для 800 веществ) не отражают действительную опасность биологического загрязнения, причем на практике, как правило, определяются всего лишь около 10 комплексных показателей таких как химическое потребление кислорода, биологическое потребление кислорода, мутность и другие;

§ увеличение токсичности веществ в процессах их метаболического превращения живыми системами (биотрансформация) и биоаккумуляция;

§ проявление синергизма действия при наличии двух и более поллютантов;

§ отсутствие, в связи с отмеченными явлениями оценки биологической полноценности среды обитания.

Более того, аналитический контроль загрязнения индивидуальными веществами не может обеспечить необходимой информацией для предсказания возможных сдвигов на ранних этапах их появления, и особенно, в чрезвычайных ситуациях (залповый сброс, нарушение технологического режима очистки сточных вод и т. д.).

Новизна, сложность и многогранность проблемы определяют поиск нетрадиционных путей, новых подходов, позволяющих осуществить постоянный контроль за компонентным составом среды.

В силу указанных обстоятельств настоятельным требованием времени оказывается необходимость введения в систему мониторинга биологического тестирования, т. е. биологический объект (тест-объект) должен выступать как составная часть измерительной системы по оценке загрязнения среды.

Среди биологических методов контроля выделяют биоиндикацию и биотестирование. Биоиндикация сводится к наблюдению за состоянием данной экосистемы и базируется обычно на учете численности популяций, регистрации поведенческих, физиологических и других особенностей организмов. Для этих целей применяют «чувствительные» виды, к числу которых относят низшие растения, лишайники, некоторые высшие растения, простейших беспозвоночных животных.

Биологическое тестирование предполагает эксперимент. Организм, выращенный в заведомо чистой среде, помещается в испытуемую пробу, и о присутствии загрязнителей судят по реакции данного организма, называемого тест-объектом. Основное преимущество биотестирования заключается в том, что исключается влияние неоднородности экологических факторов. За счет этого можно сопоставить оценки токсичности среды в разных точках контролируемой территории, так как воздействие загрязнителя осуществляется в строго идентичных условиях.

Большинство приемов биотестирования не требует трудоемких методик, дорогостоящего оборудования и дает интегральную оценку биологической полноценности среды, обеспечивая учет действия всех компонентов, включая возможные реакции синергизма и антагонизма.

За рубежом биологические тесты включены в качестве нормативных документов в систему оперативного контроля загрязнения окружающей среды, причем уже есть определенные достижения и в области их стандартизации (Англия, Франция, Германия, Япония, Польша и др.)

Например, в США есть несколько официальных стандартных показателей токсичности, основанных на различных биологических тестах. Так, если в исследуемой пробе воды в течение 48 ч погибает 50 % или более дафний, считается, что допустимый уровень токсичности превышен.

Попытки подобного рода предпринимались и в бывшем СССР. В 1991 г. было издано «Методическое руководство по биотестированию», в котором предлагались обязательные элементы системы оценки и контроля качества воды: биотесты на дафниях, водорослях (сценедесмус, хлорелла), рыбах (гуппи). Однако все эти приемы основывались на визуальном контроле гибели тех или иных тест-объектов.

Настоятельным требованием времени является введение в систему биотестирования инструментальных методов оценки состояния тест-объекта по объективным показателям. Такие аналитические системы принципиально не отличаются от классических биосенсорных устройств, только круг задач, решаемых с применением этих биодатчиков, несколько иной. Если традиционные биосенсоры определяют содержание лишь одного вещества или ограниченного круга веществ, то с помощью биотестирующих устройств удается сделать интегральную оценку степени биологической полноценности среды и степени ее биологической безопасности (опасности).

Одна из основных задач биотестирования – выбор тест-объекта. В целом требования к выбору тест-объекта не отличаются от приведенных в главе 2. Однако в данном случае предпочтение отдается не биомолекулам, а целым организмам (как одноклеточным, так и более высокоорганизованным), поскольку в биотестирующем устройстве тест-объект должен реагировать не на какое-либо одно вещество, а на ряд негативных воздействий, связанных не только с повышенным содержанием поллютантов, но и с их сочетанным действием. Кроме того, для организма характерна более сложная система реакций в ответ на различные химические раздражители, что, в свою очередь, иногда позволяет дать дифференцированную оценку как степени, так и качественных характеристик загрязнения среды. Хотя, с другой стороны, для всех тест-объектов существует общая тенденция: чем более сложно устроен организм, тем сложнее его реакция, тем труднее интерпретировать полученные результаты, а следовательно, провести раннюю диагностику загрязнения среды.

В Англии создана автоматизированная система биологического контроля качества воды с помощью рыб. В проточный аквариум помещается форель. При подаче загрязненной воды под влиянием поллютантов рыба ослабевает и сносится в задний отсек, где ее присутствие фиксируется фотоэлементом. Возникает сигнал опасности.

В ФРГ для контроля используется нильский сомик. Эта рыба имеет свойства испускать слабые электрические импульсы. В нормальных условиях их частота около 800 импульсов/мин; при отравлениях рыбы они подаются значительно реже.

В бывшем СССР также была создана установка, в которой в качестве тест-объекта используются рыбы. Эффект загрязнения воды регистрируется по изменению характера движения жаберных крышек. Соответствующая временная зависимость регистрируется автоматически и впоследствии регистрируется с помощью ЭВМ.

Разработан и автоматизированный индикатор контроля загрязнения водной среды на основе регистрации электрофизиологических параметров клеток харовых водорослей.

В последнем случае о воздействии поллютантов на тест-объект судят, измеряя два независимых параметра тест-объекта. Биологическая реакция тест-объекта при таком методе ее регистрации позволяет сделать определенные суждения о типах воздействия. В этом случае возможны 8 типов реакций, при большем количестве независимых параметров возможна более детальная характеристика биологической полноценности среды.