Изучение степени загрязнения водопроводной воды различных районов города Красноярска с помощью водорослевого биотеста

В наше время в результате развития науки и техники бурно развивается производство различных химических соединений, которые поступают в окружающую природную среду. Объем этих веществ зачастую так велик, что они не успевают перерабатываться в биосфере. К тому же многие новоизобретенные вещества оказываются настолько чужды природе, что в экосистемах просто не находится организмов, способных их утилизировать. Так возникает химическая загрязненность практически всех сред обитания: и наземно-воздушной, и почвенной, и водной.

В своей работе мы затрагиваем проблемы загрязнения гидросферы. Трудно переоценить роль воды в жизни любого живого существа на Земле. В больших или малых количествах она необходима каждому организму. И почти каждый организм в настоящее время контактирует с водой, которая в той или иной степени загрязнена продуктами техногенного происхождения.

Загрязнение воды влияет на здоровье человека ничуть не меньше. А в настоящее время недостаточно полно известно о биологической активности многих новых, встречающихся в водоемах, веществ, синтезируемых химиками. Поэтому возникает вопрос о возможности своевременного определения наличия химических загрязнителей в воде.

Одним из таких методов определения являются методы биотестирования – методы, основанные на регистрации реакции живых организмов. Для биологического тестирования загрязнения воды чаще всего используют такие тест-организмы, как одноклеточные водоросли. Они проявляют чувствительность ко многим из загрязнителей окружающей среды.

В течение двух лет с помощью метода биотестирования мы изучали степень загрязнения воды, которую пьют люди в различных районах нашего родного города – Красноярска.

Целью нашей работы явилось изучение уровня загрязнения водопроводной воды в различных районах города Красноярска В процессе работы решались следующие задачи:

* Освоить методику работы на комплекте оборудования для биотестирования природных и сточных вод.

* Провести сравнение методов удаления из водопроводной воды остаточного хлора;

* Провести биотестирование проб воды из различных районов города.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Методы анализа загрязнения водной среды

В данное время существует множество методов анализа сточных вод. Самые распространенные из них - химические. Для этих методов подготовлены и отработаны многочисленные методики, позволяющие с большой точностью определять содержания веществ в пробе.

Однако часто они требуют значительного времени и средств на свое проведение. К тому же в настоящее время количество вредных веществ, попадающих в окружающую среду намного превышает количество контролируемых. При этом не всегда бывает возможным учесть комбинированное влияние загрязнителей на организмы, при котором в результате взаимодействии между собой могут образовываться вещества, значительно отличающиеся по своей токсичности от исходных компонентов.

Существует группа биологических методов, основанная на использовании тест-организмов, чувствительных к необходимым соединениям или условиям. Метод биотестирования, то есть использования биологических объектов в качестве средства выявления суммарного содержания токсических компонентов в водной среде, позволяет установить как влияние очень низких концентраций отдельных загрязняющих веществ, так и оценить влияние при взаимодействии их компонентов.

Причем для этих целей могут использоваться совершенно разные биологические объекты. Это могут быть бактерии, водоросли (одноклеточные и многоклеточные), высшие растения, пиявки, моллюски, рыбы и др.

Среди них наиболее распространенной является микробиологическая группа методов, где в качестве тест-обьектов выступают простейшие, бактерии и водоросли. Наиболее перспективным объектом биотестирования являются как раз зеленые водоросли, преимущественно одноклеточные.

Из-за небольшой величины соотношение поверхности к объему у микроводорослей относительно очень велико, и поэтому для них характерны чрезвычайно быстрые обменные процессы с окружающей средой. Таким образом, время проявления реакции тест-обьекта на воздействие среды резко сокращается. Кроме того, водорослевые биотесты отличаются следующими преимуществами: быстрое получение биологического материала; возможность выращивания в лаборатории в течение всего года, независимо от суточных и - 5 - сезонных ритмов; получение достаточного количества статистически выровненных образцов тест-объекта.

Для биотестирования часто используются водоросли рода Chlorella. Виды этого рода давно известны ботаникам и физиологам растений, поэтому у некоторых его ставителей достаточно хорошо изучены культуральные и физиологические свойства, что облегчает работу с ними как с объектами биотестирования загрязнений гидросферы.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Особенности тест-объекта - водоросль Chlorella vulgaris

Систематическое положение:

Отдел: Chlorophyta

Класс: Euchlorophyceae

Порядок: Chlorococcales

Семейство: Chlorellaceae

Подсемейство: Chlorelloideae

Род: Chlorella Beijer

Вид: Chlorella vulgaris Beijer

Краткая характеристика:

Chlorella vulgaris- широко распространенная одноклеточная зеленая водоросль. Клетки шаровидные или эллиптические диаметром 2-10 мкм (иногда больше), с тонкой оболочкой без слизи, одним или двумя ядрами и одним чашеобразным хлоропластом. Поверхность оболочки покрыта слоем спорополленина - продукта полимеризации каротиноидов, устойчивого к воздействию ферментов, кислот, щелочей.

Размножение бесполое - автоспорами, образующимися в результате деления содержимого материнской клетки. Автоспор от 2 до 32 в зависимости от условий выращивания. Деление происходит, как правило, один раз в сутки, но в условиях интенсивной культуры способна к более активному размножению (один раз в 4-5 часов). Хлорелла обладает хорошей приспособленностью к условиям среды, может выдерживать кратковременное действие крайних значений рН среды, резкое изменение концентрации элементов минерального питания и достаточно значительное колебание температуры. Высоких значений рН (больше 8) хлорелла не любит, однако известны случаи успешного выращивания ее при рН=9,1-9,7.

Хлореллу можно культивировать длительное время при интенсивном размножении без периода покоя.

Относительно простая организация, большая скорость размножения, возможность культивирования в полностью контролируемых условиях, высокая пластичность метаболизма, способность образовывать мутантные формы давно сделали хлореллу

- 7 - классическим объектом для изучения. Весьма существенны аспекты промышленного культивирования хлореллы с целью создания на этой основе новой технологии получения препаратов для тонкой химии, медицины, парфюмерии, сельском хозяйстве, а также ферментов и других биологически активных веществ для научных целей. Хлореллу можно применять для очистки сточных вод, создания циклических систем использования воды, в замкнутых биологических системах для регенерации

Культивирование водоросли

Культура Chlorella vulgaris выращивалась на искусственной питательной среде Тамия следующего состава: KNOs-5; MgS04*7H20-2. 5; КН2РО4- 1. 25 г; цитрат железа - 0. 003 ( мг/л ) на 1 литр Н3ВО4 - 2. 86; дистиллированной воды.

В готовую среду вносился раствор микроэлементов Арнона (1 мг/л среды) следующего состава:

МпС12*4Н2О- 1. 81;

ZnS04 * 4Н20 - 0. 22;

CuS04 * 5Н20 - 0. 08;

МоО3-0. 017;

NH4VO3 - 0. 028;

K2Cr2(S04)2 * 24Н20 - 0. 096; NiSO4*7H20- 0. 038; СаС12* 6Н20 - 0. 044 мг.

Культивирование водорослей проводилось в колбах Эрлен-Мейера объемом 1000 мл, заполненных суспензией на одну треть при непрерывном круглосуточном освещении двумя люминесцентными лампами ЛБ-20 с интенсивностью светового потока 20 вт/м каждая. Культивирование проводилось на 10% среде Тамия. Для перемешивания и обеспечения культуры С02 суспензия непрерывно барбатировалась атмосферным воздухом с помощью микрокомпрессора АЭН-3, который одновременно обеспечивал и перемешивание культуры. Пересев производился один раз в 10 дней.

Аппаратура

Эксперименты проводились на аппаратуре, разработанной на кафедре экологии КрасГУ.

Оптическая плотность культуры водоросли измерялась на фотоэлектроколориметре КФК-2МП, в кювете с толщиной оптического слоя 10 мм при длине волны 670 нм.

Ростовые характеристики культуры водоросли хлорелла определялись в многореакторном культиваторе «Фитотестер-03», разработанном на кафедре экологии Красноярского государственного университета. Прибор позволяет в одинаковых и контролируемых условиях по температуре, интенсивности света, снабжению С02 (0,03%) и перемешиванию одновременно выращивать 18 проб водорослей. В данной работе измерения проводили по приросту водоросли на фотоэлектроколориметре КФК-2МП, в аналогичных выше условиям, на основе изменения оптической плотности. Температура во флаконах измерялась электронным термометром.

Методика проведения экспериментов

Суспензию водоросли, необходимую для опытов фильтровали через четыре слоя марли и пропускали через гомогенизатор, затем измеряли ее оптическую плотность на фотоэлектроколориметре. Далее суспензию доводили, с учетом разбавления в флаконе, 10% средой Тамия до необходимой оптической плотности. При постановке эксперимента в 18 "пенициллиновых" флаконов объемом 10 мл, разливалось по 6 мл тестируемой воды. Затем добавлялось по 1 мл ранее приготовленной и хорошо перемешанной культуры водоросли с начальной оптической плотностью 70 единиц. Контролем служила дистиллированная вода.

Флаконы закрывались полиэтиленовыми пробками с отверстиями диаметром 5 мм. Потом их строго по вариантам помещали в культиватор «Фитотестер-03». Устанавливались необходимый уровень облучения флаконов и значение температуры. После включения прибора в течение 1 часа измерялась и устанавливалась нужная температура во флаконах, ее значение проверялось в контрольном варианте. Для этого использовался электронный измеритель температуры. Длительность эксперимента 24 часа.

При анализе загрязненоости воды использовался метод, основанный на изменении прироста тест-организма. Степень прироста тест-культуры водоросли измерялась по изменению величины оптической плотности суспензии, измеряемой на разработанном специализированном приборе ИПТ-02. Перед постановкой эксперимента вода дехлорировалась отстаиванием в течение 24 часов.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

С целью обеззараживания водопроводной воды ее подвергают хлорированию. Оно обеспечивает гибель болезнетворных бактерий. Однако следы хлора в воде остаются, и отрицательно влияют на прирост тест-объкта - водоросли. Поэтому перед постановкой эксперимента необходимо удалить из тестируемой воды остаточный хлор.

Было установлено, что наилучшим способом удаления остаточного хлора из водопроводной воды является барбатирование. Прирост культуры водоросли, вырашенной на барбатированной воде, был выше, чем на воде, которая отстаивалась в культиваторе. Самым низким был прирост культуры водоросли на воде, которая не подвергалась никакой обработке.

Зависимость прироста культуры водоросли Chlorella vulgaris от способа удаления остаточного хлора из тестируемой воды (в %):

М-н Солнечный Ул. Партизана Железняка Кировский р-н.

Вода не отстоянная 42,493 67,139 31,445

Вода, отстоянная в культиваторе 1 50,882 85,294 43,529

Вода, барбатированная 1 сутки. 72,283 86,957 67,663

Анализ результатов (т. е. сравнение токсического воздействия на водоросль тестируемой вода из различных районов), полученных при исследовании холодной водопроводной воды различных районов города Красноярска в 2000 г. (Кировский р-н, микрорайоны Академгородок,

Солнечный, Пашенный и ул. Партизана Железняка) показал, что наиболее наиболее чистой является вода из микрорайона Академгородок, а наиболее загрязненной - холодная водопроводная вода, взятая в Кировском районе. Культура, выращенная на воде из этого района, показывала наименьшую оптическую плотность (т. е. наибольшую - 11 - степень снижения темпов прироста по сравнению с контролем)

Контроль

М-н. Академгородок

Ул. Парт. Железняка

М-н. Солнечный М-н. Пашенный Кировский р-н.

Прирост (в %) культуры Chlorella vulgaris, выращенной на холодной водопроводной воде из различных районов г. Красноярска (усредненные данные, 2000 г. ).

Анализ результатов, полученных при исследовании холодной и горячей водопроводной воды различных районов города Красноярска в 2001 г. (Октябрьский район - корпус КрасГУ, микрорайон Зеленая Роща, Кировский район - ул. Красноярский рабочий) показал, что наименее загрязненной является водопроводная вода, взятая в корпусах КрасГУ, наиболее загрязненной - вода, взятая на ул. Красноярский рабочий. Причем степень токсического воздействия воды на водоросль может быть различной в разные дни проведения эксперимента — а значит, качество воды и степень ее загрязнения в одном районе в разные периоды времени так же неодинакова.

Прирост водоросли во многих случаях отличался от контроля - он может быть ниже или выше 100%. Это означает, что в тестируемой воде присутствовали посторонние примеси, которые были или токсичны для водоросли (в случае снижения прироста) или стимулировали ее прирост (такое явление увеличения прироста обусловлено, как правило, наличием в воде примесей органического происхождения). Так или иначе, водопроводная вода содержала примеси, которых по санитарным нормам в ней не должно было быть.

Для предотвращения образования накипи на стенках труб, проводящих горячую воду, в нее добавляют вещества-антинакипины. Сравнение токсического воздействия на водоросль (снижение темпов прироста культуры по сравнению с контролем) холодной и горячей водопроводной воды показало, что разница в нем в пределах одного и того же района имеется, хотя и незначительна (в пределах 5%).

- 13 – выводы

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Наилучшим способом удаления остаточного хлора из водопроводной воды является барбатирование.

2. Наиболее загрязненной (значительно снижающей темпы прироста водоросли) оказались пробы водопроводной воды из Кировского района

(особенно проспекта Красноярский рабочий).

3. Степень токсического воздействия воды на водоросль может быть различной в разные дни проведения эксперимента.

4. Пробы водопроводной воды, взятой в КрасГУ и Академгородке, практически не оказывали токсического воздействия на водоросль.

5. Имеются различия в степени токсического воздействия на водоросль горячей и холодной водопроводной воды - горячая вода сильнее снижает прирост культуры водорослей по сравнению с холодной.