22.5. Методи оцінки і контролю токсичності водного середовища для гідробіонтів

При оцінці хімічного забруднення водного середовища широко застосовують різні хіміко-аналітичні методики (спектрофотометрію, паперову та газову хроматографію, масспектрометрію та багато інших). Всі ці методи хоч і дають змогу встановлювати фактичне значення концентрацій самих різноманітних речовин, але не дають відповіді на питання про токсичність забрудненої води та ступінь її небезпеки для гідробіонтів. Хімічні методи аналізу токсикантів досить складні і коштують дорого. У зв'язку з цим для регулярного контролю токсичності вод річок, озер, водосховищ, морів та інших водних об'єктів, забруднених різними токсикантами, вони рідко коли застосовуються.

Починаючи з 50-х pp. XX ст., у СІЛА і багатьох європейських країнах почали впроваджувати для контролю забруднень біологічні методи, в основу яких покладена реакція гідробіонтів на забруднення води. Такі методи отримали назву біотестування.

Біотестування — це процедура встановлення токсичності окремих хімічних речовин, поверхневих прісних, морських і солонуватих, підземних і стічних вод для гідробіонтів, яка ґрунтується на кількісних оцінках зміни життєво важливих функцій або виявленні смертельної (летальної) дії на гідробіонтів(тест-об'єкти або тecт-культури). За технологією — це експеримент, що проводиться з дотриманням певних методичних вимог. Досліди, в яких проводиться визначення токсичності називають біотестами (англійський еквівалент — bioassay, або biotesting).

Перш за все тест-об'єкти (тест-організми) повинні мати високу чутливість до токсичних речовин. Якщо використовуються лабораторні маточні культури, то їх необхідно утримувати з додержанням жорстких вимог щодо хімічного складу штучного середовища, годівлі тест-організмів, підтримання оптимального газового режиму і рН, запобігати засміченню тест-культури іншими організмами, що перетворює чисту культуру в своєрідний біоценоз.

Експеримент включає серію повторень з різними розведеннями (концентраціями) досліджуваної речовини, а контроль — ті ж самі тест-організми в чистій (лабораторній) воді або в середовищі для культивування гідробіонтів.

Біотести проводяться в лабораторних умовах (рис. 19 кольор. іл.), а також безпосередньо на водних об'єктах (in situ), причому біля випусків стічних вод застосовують дещо спрощені варіанти. Серед тест-об'єктів біотестування розрізняють індикаторні види, що мають універсальне значення для будь-яких токсикологічних досліджень, і представницькі - види, специфічні для певних акваторій чи водних об'єктів, наприклад, рачок епішура (Epischura bajcalensis), що мешкає лише в Байкалі.

З метою відбору найбільш чутливих та показових тест-об'єктів до різних токсичних забруднюючих речовин дослідниками багатьох країн проведена оцінка понад 1,5 тис. видів прісноводних і морських гідробіонтів, серед яких були водорості, бактерії, безхребетні і риби. Проте основний масив інформації одержано при застосуванні як тест-об'єктів гіллястовусих рачків, головним чином дафній, яких легко культивувати в лабораторних умовах.

Створено також набори тест-організмів, до складу яких входять не тільки гідробіонти, а й наземні рослини, наприклад, корінці цибулі (Allium сера) та проросле насіння салату (Lactuса sativa), які реагують на токсичність води зниженням швидкості росту корінців та цитогенетичними порушеннями в ході клітинного поділу, змінами клітинних ядерець тощо.

У Бельгії проф. Г. Персоон розробив набори з кількох тест-об'єктів, які знаходяться в стані анабіозу. Застосовується проста переносна апаратура для біотестування, що випуска­ється серійно (токскіти). Водорості зберігаються у вигляді сухих спор, коловертки і дафнії — у вигляді неактивних яєць-ефіпіумів, які оживають за умов оптимальних температурного режиму і освітлення. Такі організми використовують в гострих 24-годинних дослідах — переважно для встановлення СК₅₀- Протягом 90-х pp. цим методом в багатьох країнах Європи проведено сотні досліджень токсичності різних речовин.

Тест-функції, які використовуються в різних варіантах біотестування, досить багатогранні: у водоростей — це інтенсивність фотосинтезу або співвідношення фотосинтезу і деструкції (A/R), вміст хлорофілу, інших пігментів, зміни морфологічної структури клітин. У макрофітів, крім вище­названих - зміни тургору і забарвлення листя, швидкість руху протоплазми (в клітинах елодеї); у інфузорій — інтенсивність (швидкість) руху, співвідношення макро- і мікро-нуклеуса, частота биття війок і багато інших мікроскопічних показників; у гіллястовусих ракоподібних реєструється частота коливальних рухів антен, ритм серцевих скорочень, викид (абортування) яєць та ембріонів, обертальні рухи навколо осі тіла. Деякі методи біотестування токсичних забруднень базуються на використанні реакції уникання зони забруднення (риби, водяні комахи) або реакції закривання черепашок (у двостулкових молюсків Anodonta, Unio).

Для визначення реакцій тваринних тест-об'єктів створена спеціальна апаратура, яка дає змогу реєструвати зміни в поведінці безхребетних і риб. З цією метою застосовуються телекамери, насадки до мікроскопів, які автоматично реєструють зміни у поведінці тест-об'єктів. За допомогою мікро-електродів знімаються показники біоелектричної активності серця дафній та риб.

Біотестування покладено в основу розробки систем ава­рійної сигналізації надходження токсичних речовин у водойми. Так, на р. Рейн (Німеччина) функціонують станції автоматичного контролю і реєстрації надходження забруднюючих Речовин у воду. Вони діють за принципом протидії риб потоку води: кілька невеликих риб вміщують у замкнену проточну лоткову систему, яка на задній стінці має чутливі елементи -сенсори. Сигнал дотику до них автоматично передається і реєструється. При надходженні в таку систему забрудненої води риби втрачають здатність протидіяти потоку і прибиваються до задньої стінки. Сигнали від неї подаються до самописців та на диспетчерський пункт, який реєструє викиди забруднень.

Більш глибоке вивчення токсичності хімічних речовин та забруднених вод ґрунтується на хронічних біотестах, які проводяться на кількох поколіннях тест-об'єктів (переважно на гіллястовусих ракоподібних). Головним критерієм токсичності в хронічних дослідах є зниження плодючості гідробіонтів, яке відчутно реєструється в третьому—четвертому поколіннях і досягає максимуму в п'ятому. При цьому виявляється, що хронічно діюча концентрація на 1—3 порядки нижча від тієї, яка викликає гостре отруєння. Зниження плодючості обумовлюється значними змінами в ембріогенезі, порушеннями структури, хромосом та інших елементів статевих клітин. Проте при значно більш тривалих дослідах (до 15 поколінь) плодючість дафній в останніх поколіннях часто не тільки відновлювалась, але ставала навіть більшою у порівнянні з вихідною. Це дає підставу говорити про адаптацію рачків до відносно невисоких концентрацій токсикантів та можливість відтворення популяцій, які перебувають в умовах постійного невисокого забруднення середовища.

При біотестуванні каламутних вод, багатих на завислі частинки, останні потрібно попередньо осаджувати або відфільтровувати. У таких випадках паралельно контролюються відстояна (відфільтрована) і каламутна вода.

Між сумарною концентрацією токсичних речовин і даними біотестування води не завжди існує пряма залежність. Ефект дії одного дуже отруйного токсиканта може бути більшим, ніж від кількох, але менш токсичних. При утворенні комплекс­них сполук металів з органічними та іншими речовинами токсичність зменшується. До того ж між різними речовинами виникають складні взаємини. Вони можуть посилювати токсичну дію одна одної (синергізм) або, навпаки, протидіяти одна одній (антагонізм), послаблюючи токсичність. Тому наслідки біотестування забруднених вод потрібно розглядати як інтегральну оцінку життєвого середовища гідробіонтів, його можливого негативного впливу на основні їх функції.

Біотести на представниках окремих видів та культурах гідробіонтів дають певну інформацію про токсичність різних окремих речовин та забруднених вод, але вони проводяться на вибіркових тест-об'єктах і з екологічної точки зору недостатні, оскільки в природних водоймах протікають більш складні процеси, пов'язані з багатокомпонентністю біоти і міжпопуляційними зв'язками, які виникають у токсичному середовищі.

До того ж гідробіонти, вміщені в штучні ємності, фізіологічне відрізняються від тих, що живуть у природних популяціях. Наприклад, синьозелена водорость Microcystis aeruginosa в культурі розвивається тільки у вигляді окремих клітин, дуже чутливих до токсикантів, а в природі утворює великі колонії, вкриті шаром слизу, який захищає клітини від проникнення токсикантів.

Тому для виявлення суто екологічних наслідків токси-фікації водного середовища застосовується тестування безпосередньо у водоймах — екотестування. Значного поширення у світовій практиці набули так звані мікрокосми — штучні ємності, які вміщують у природні водойми, обмежуючи певні об'єми води, а також експериментальні ємності більшого об'єму — мезо- та макрокосми, які встановлюють навіть в океанічних водах.

Макрокосми - це досить складні інженерні споруди, які утримуються на плаву і витримують навіть великі хвилі. У таких ізольованих об'ємах води досліджують вплив антропогенних чинників на гідрохімічний режим та динаміку чисельності і біомаси гідробіонтів, застосовуючи звичайні гідробіологічні методи відбору та аналізу проб, зокрема кількісний облік фіто-, зоо- та бактеріопланктону. Це дає змогу виявити більш або менш чутливі до токсикантів види, прослідкувати за перебудовою структури планктонних ценозів, первинною продукцією та іншими параметрами водної екосистеми.