Введение

 Актуальность темы.  Изучение  влияния  загрязнения  водных  объектов  на  живые организмы является одной из важнейших проблем современности. В течение многих тысяч лет человеческая деятельность не наносила природе заметного ущерба, но серия технологических революций, которые претерпела история, нарушила равновесие между человеком и природой. Негативное влияние этих революций сочеталось, как правило, с развитием промышленности и сельского хозяйства, и, как следствие, с ростом количества отходов производства, которые накапливались в ноосфере – подсистеме биосферы, активно используемой человеком, а значит включающей в себя все необходимые для него ресурсы, в том числе и ту часть гидросферы, которая является источником получения питьевой воды.

Большая часть отходов, количество которых регулярно превышает предельно допустимое, является чужеродными для биосферы веществами – это, в первую очередь, органические соединения, СПАВ (синтетически поверхностно-акти, нефтепродукты и соли тяжелых металлов. Такие загрязняющие вещества относят к группе ксенобиотиков, то есть чужеродных для живых организмов соединений. Тщательное их изучение показало, что они способны оказывать токсическое, канцерогенное, тератогенное или аллергенное воздействия на эти организмы. На сегодняшний день ксенобиотики имеют очень широкую область распространения, но наиболее активно накапливаются в почве и воде.

Для Ленинградской области, в частности для города Санкт-Петербург, основным источником питьевой воды является река Нева. Следует отметить, что в последние десятилетия отмечается очень высокий уровень загрязнения реки с превышением предельно допустимой концентрации (ПДК) таких веществ как соединения железа, меди, цинка, марганца, и различных нефтепродуктов, которые резко ухудшают качество воды.

Вода, которая поступает на водозабор с целью использования в качестве питьевой, проходит множество этапов очистки. В результате проведения этих процедур снижаются показатели окисляемости и цветности, но возрастает количество вредных веществ, до проведения водоподготовки не превышавших ПДК, например, солей алюминия и продуктов взаимодействия органических соединений с хлором, что может быть не менее вредно для человека, употребляющего данную воду как питьевую ([15]и др,).

В настоящее время разработан ряд эффективных способов оценки качества воды: классическим способом является отбор проб и их лабораторный анализ с использованием физико-химических методов. Однако такой подход не дает возможности определить меру опасности зарегистрированного загрязнения для живых организмов (в том числе и человека) и их сообществ, то есть выявить последствия воздействия ксенобиотиков.

Цель работы: составление буклета с рекомендациями по выбору питьевой воды на основе результатов оценки качества разных образцов воды в серии биотестов на токсичность.

Для реализации поставленной цели были поставлены следующие задачи: 

1. Изучить уровень токсического воздействия проб воды реки Нева до и после водоподготовки на энергию прорастания и всхожесть семян яровой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.);
2. Определить качество питьевой воды после водоподготовки по уровню токсической активности по сравнению с контролем (дистиллированная вода);
3. Структурировать полученные результаты с целью создания буклета с рекомендациями по выбору питьевой воды.

 

Характеристика естественных источников пресной воды, способы их водоподготовки и оценки в биотестах

Источники загрязнения гидросферы 

Биосфера – оболочка Земли, в пределах которой существует жизнь, является главной экосистемой. Согласно учению В. И. Вернадского она состоит из живого вещества – всей совокупности тел живых организмов, населяющих Землю, биогенного вещества – создаваемого и перерабатываемого живым веществом, косного вещества – продуктов, образующихся без участия живых организмов, и биокосного вещества, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других [2].

В настоящее время в биосфере накапливаются вещества, ранее ей не свойственные – ксенобиотики.

Гидросфера – это та часть биосферы, которая накапливает ксенобиотики, которые легко усваиваются и также легко выводятся всеми живыми системами, а значит, биологические системы имеют защитные механизмы от их воздействия. Тем не менее, то количество ксенобиотиков, которое сейчас регистрируется в источниках пресной воды на территории России, не позволяет говорить об эффективности защитных механизмов, как на организменном, так и на клеточном уровнях. А значит, в настоящее время необходимо изучать возможное воздействие этих веществ на организмы.

Необходимость использования оценки качества природных вод обусловлено активным развитием промышленности, сельского хозяйства, и на основе этого в настоящий момент выделяют несколько основных источников загрязнения пресной части гидросферы химическими веществами.

Наиболее известным источником загрязнения воды, которому традиционно уделяется главное внимание, являются бытовые (или коммунальные) сточные воды. Поскольку ежедневно в сточные воды попадает огромный объем фекалий, главной задачей городских служб при переработке бытовых стоков в коллекторах очистных установок является удаление патогенных микроорганизмов. При повторном использовании недостаточно очищенных фекальных стоков содержащиеся в них бактерии и вирусы могут вызвать кишечные заболевания (тиф, холеру и дизентерию), а также гепатит и полиомиелит [4]. В растворенном виде в сточных водах присутствуют мыло, синтетические стиральные порошки, дезинфицирующие средства, отбеливатели и другие вещества бытовой химии. Из жилых домов поступает бумажный мусор, включая туалетную бумагу и детские подгузники, отходы растительной и животной пищи. С улиц в канализацию стекает дождевая и талая вода, часто с песком или солью, используемыми для ускорения таяния снега и льда на проезжей части улиц и тротуарах [1].

В индустриально развитых странах главным потребителем воды и самым крупным источником стоков является промышленность. Промышленные стоки в реки по объему в 3 раза превышают коммунально-бытовые. Поскольку подавляющее большинство предприятий еще полностью не перешли на применение технологии безотходного и даже малоотходного производства, с промышленными стоками часто сбрасывается немалое количество разнообразных органических и неорганических веществ. [13]

Весомый вклад в потребление пресной воды вносит сельское хозяйство, использующее ее для орошения полей. Стекающая с них вода насыщена растворами солей и почвенными частицами, а также остатками химических веществ, способствующих повышению урожайности. Помимо химических соединений, в реки попадает большой объем фекалий и других органических остатков с ферм, где выращиваются мясо — молочный крупный рогатый скот, свиньи или домашняя птица. Много органических отходов также поступает в процессе переработки продукции сельского хозяйства (при разделке мясных туш, обработке кож, производстве пищевых продуктов и консервов и т.д.) [4]

Способы водоподготовки и методы очистки питьевой воды из естественных источников на территории России

Пресная часть гидросферы на территории Российской Федерации используется, как правило, как источник питьевой воды, качество которого, как прямо, так и косвенно, влияет на жизнедеятельность всех организмов и, в частности, на здоровье человека.

В первую очередь, качество воды определяется таким показателем, как содержание в ней тех или иных примесей с определением предельно допустимых значений, которые задаются соответствующими нормативными документами, такими как опубликованные в 2001 году гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения СанПиН 2.1.4.1074-01 или руководство по контролю качества питьевой воды, изданное в 2011 г. Всемирной Организацией Здравоохранения [12;14].

Согласно действующим стандартам, питьевая вода (и водопроводная в том числе) должна быть безопасна в эпидемиологическом, радиационном отношении, безвредна по химическому составу, и иметь благоприятные органолептические свойства (табл. 3 и 4 в приложении).

Решением проблем, связанных с загрязнениями воды, является ее очистка. В настоящее время имеется ряд способов водоподготовки и методов очистки воды, позволяющих получить высокое качество питьевой воды практически из любого источника.

Согласно   классификации   Рябчикова   Б.Е.    [11;3],    выделяются    следующие    методы, применяемые для водоподготовки пресных вод:

1. Методы осаждения

2. Осветление воды

3. Мембранные методы

4. Адсорбция

5. Обезжелезивание

6. Обеззараживание

Способы биологической оценки токсичного эффекта водных проб и растворов в системе биотестов

При анализе литературы мы выделили ряд методов, которые позволяют оценить токсичность водных проб и растворов. Для первичного скрининга ксенобиотиков рекомендуется использовать способы, которые, кроме стандартных требований к простоте, краткосрочности, невысокой стоимости, обязательно должны удовлетворять таким критериям, как высокая чувствительность и воспроизводимость. К таким тестам чаще всего относят методы исследования с помощью микроорганизмов и растений.

Известен метод оценки токсичности сточных вод с использованием штамма грибов Saccharomyces cerevisiae. В этом способе токсичное действие оценивается по цитостатическому и летальному показателям. [4].

К тестам первичного скрининга относится и способ оценки токсичности воды по способности клеток зеленой водоросли Dunaliella salina изменять форму клетки.[9].

Очень часто объектом биотестирования также становятся и многие злаковые растения, а в особенности мягкая яровая пшеница. Для опыта берутся сухие семена, которые обрабатываются исследуемыми растворами. Обработанный материал проращивают в чашках Петри с увлажненной фильтровальной бумагой в термостате при температуре 20-22оС.

Оценив представленные варианты, мы остановились именно на этом тест-объекте (мягкая яровая пшеница), так как, несмотря на некоторые недостатки, как, например, большая продолжительность эксперимента, он является наиболее доступным и удобным для проведения в домашних условиях.

Методика исследования

Для оценки качества питьевой воды был организован эксперимент, целью которого

являлось определение токсического эффекта проб воды в серии первичного скрининга на растительной клетке.

В качестве вариантов эксперимента выступали следующие пробы:

1. Вода из артезианского источника, колонка которой расположена по адресу – Санкт –Петербург, ул. Карпинского д. 13 (рис 1).
2. Вода из колонки, которая расположена по адресу ул. Астраханская д. 5 (рис. 2).
3. Вода, собранная в месте водозабора в районе Смоленской набережной (рис. 3).
4. «Из-под крана» в домашних условиях.

В качестве контроля использовали дистиллированную воду, приобретенную в аптеке. Токсичность определяли по показателям энергии прорастания и всхожести семян тест-объекта  мягкая  яровая  пшеница  (Triticum aestivum L.)    семена которой приобретены в магазине «Вкусвилл» по адресу г. Санкт-Петербург ул. Бутлерова д.9

Данный тест-объект был выбран неслучайно, так как пшеница хорошо изучена генетически и неоднократно использовалась для первичного скрининга химических веществ на мутагенность.

Оценка токсического эффекта проводилась через определение всхожести и энергии прорастания – важнейших показателей качества семян. Под понятием «всхожесть» понимается способность семян при оптимальных, стандартных условиях в определенный срок образовывать здоровый, нормально развитый проросток. Под понятием «энергия прорастания» — способность семян прорастать дружно и расти одновременно или в короткий срок.

Эксперимент проводился в 2хкратной повторности, в качестве повторности использовали 100 семян, которые закладывались на прорастание в чашку Петри.

Семена пшеницы в количестве 100 штук на повторность в каждой опытной пробе воды и контроле сначала помещали в марлевых мешочках в химические стаканчики с полным погружением в исследуемый раствор (опытные варианты рис 4-6)

и в дистиллированную воду (контрольный вариант –рис 7).

Замачивание обеспечивало накопление химических элементов, содержащихся в изучаемой пробе воды, и впоследствии оказывающих определенное влияние на продуктивные процессы, в частности процессы прорастания и всхожести. Экспозиция выдерживания в растворах для всех вариантов составляла 24 часа. После истечения времени экспозиции семена помещались во влажные камеры – чашки Петри. Во время наблюдения постоянно увлажняли камеры для прорастания. Для этого использовали воду соответственно варианту. Так же наблюдали за температурой помещения, в которой проводился эксперимент. Температура соответствовала стандартной –20±1◦С (хронометраж температуры проращивания проводился не менее 3-х раз в сутки). Искусственное или дневное освещение и относительная влажность в ходе эксперимента поддерживалась так же на уровне стандартных показателей. Помещение, где проводился опыт, в ходе эксперимента регулярно проветривалось.

Согласно стандартным методикам на третьи сутки определялся показатель энергии прорастания, а на седьмой день — всхожести по 2 повторностям с расчетом среднего арифметического значения. Проросшими семенами считали такие, у которых корешки развивались нормально, а центральный корешок имел длину не меньше длины семени. Росток должен достигнуть по крайней мере 1/2 длины семени.

 

Собственные результаты исследования и их обсуждение 

Полученные данные по показателям энергии прорастания и всхожести представлены в таблице 1.

На основании результатов повторностей каждого варианты были рассчитаны средние арифметические значения, представленные в таблице 2 и на рисунке 1.

Как видно на рисунке 1 и в таблице 2 максимальный показатель энергии прорастания и всхожести зафиксированы в контрольном варианте – дистиллированная вода – 92.5 и 95% соответственно (рис.2).

Минимальное значение показателей зафиксировано в варианте – вода из Невы –53 и 57% соответственно. Такие значения показателей можно объяснить тем, что дистиллированная вода не содержит загрязнителей и является чистой средой для процессов роста, в основе которых лежат митотические деления на клеточном уровне. А вода из Невы содержит различные загрязнители, но вероятно многие из них имеют органическую природу, что основательно повлияло на показатели энергии прорастания и всхожесть. Загрязнители органической природы, как правило, не полностью останавливают митотическую активность клетки, лежащей в основе роста и развития, а значит прорастания семя (рис. 3)

При анализе показателей всхожести и энергии прорастания других вариантов водных проб выявлена следующая особенность – наибольшей чистой отличается вода из артезианского источника – 90.5 и 86% — всхожесть и энергия прорастания соответственно. Эти показатели незначительно отличаются от показателей контрольного варианта – на 4.5

% по всхожести и на 6.5% по энергии прорастания (рис 4).

Более грязная вода, то есть содержащая большее количество загрязнителей, является вода из колонки. Показатели всхожести и энергии прорастания соответственно – 84.5 и 80.5%. Можно объяснить данные показатели тем фактом, что водопроводные трубы таких колонок заложены давно и конечно уже устарели, накопив огромное количество загрязнителей.

Незначительно, но лучше показатели, характеризующие рост, в варианте – вода из-под крана – 86.5 и 83% — всхожесть и энергия прорастания соответственно. Такие показатели только подтверждают высокое качество очистки воды при ее заборе на водоканале, которые описаны выше в работе. Действительно, вода, которая поступает для нужд населения проходит высокий уровень очищения. Различия показателей этого варианта с контролем составляют по всхожести – 8.5%, по энергии прорастания – 9.5%.

Анализ всех проб показывает одну очень важную закономерность – действительно, вода из Невы проходит тщательную водоочистку на водостанции и может быть использованы в бытовых направлениях человеком. Но следует использовать и дополнительное ее очищение в бытовых условиях или использовать воду, которая проходит такое дополнительное очищение на государственных предприятиях, как, например, артезианская вода. Что касается воды из колонки, то стоит при ее использовании особенное внимание уделять дополнительному очищению в домашних условиях.

Выводы 

1. Высокие показатели всхожести и энергии прорастания в контрольном варианте (дистиллированная вода) свидетельствуют о чистоте воды, т.е. она не содержит загрязнителей, обладающих токсичным действием;
2. Достаточно чистой по результатам исследования можно считать воду из артезианского источника, а значит можно ее рекомендовать как питьевую без дополнительной очистки;
3. Вода из р.Невы имеет низкие показатели всхожести и энергии прорастания, что указывает на высокие проценты загрязнения и токсичного действия. Но полностью митотическую активность эта вода не останавливает. Как нам кажется, причиной этому является преобладание среди загрязнителей веществ органической природы;
4. Вода из-под крана не имеет низких показателей роста, что указывает на хороший уровень ее водоочистки при водоподготовки на Водоканале. Тем не менее, как нам кажется, есть необходимость дополнительно очищения в домашних услових перед использованием как питьевой;
5. Определенную опасность вызывает вода из колонки, так как она имеет достаточно высокий токсичный эффект и низкие показатели всхожести и энергии прорастания при сравнении с контролем. Одной из причин является загрязнение труб водоподачи из-за большого срока эксплуатации.

 

Список литературы.

1. Беличко Ю. П. Человек и вода / Ю. П. Беличко, М. М. Швецов – М.: Колос, 1979. – 209 с. 17
2. Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и её окружения / В. И. Вернадский – М.: Наука, 2001. – 376 с. 24
3. Вода. Санитарные правила, нормы и методы безопасного водопользования населения. Сборник документов. 2–е издание, переработанное и дополненное. /сост.: Ю.А.Рахманин, З.И.Жолдакова, Г.Н.Красовский. – М.: ИнтерСЭН, 2004. – 768 с. 25
4. Львович М. И. Вода и жизнь: Водные ресурсы, их преобразование и охрана / М. И. Львович – М., 1986. – 254 c. 47
5. Методика визначення гострої токсичностi води на ракоподібних Daphnia magna Straus. КНД 211.1.4.054–97. – К., 1997. 49
6. Пат. 1097947, СССР, кл. G01H33/18, Способ оценки токсичности сточных вод / Павленко В. В. ; заявитель и патентообладатель Научно-исследовательский институт биологии при Иркутском государственном университете им. А. А. Жданова – опубл. 1984.06.15, Бюл. № 22 – 5 с. 4
7. Пат. 2039825 С1, Российская Федерация, кл. G01H33/18, Способ определения токсичности объектов внешней среды / Виноходов Д. О. ; заявитель и патентообладатель Д. О. Виноходов, В. О. Виноходов. – опубл. 08.10, Бюл. № 22

– 6 с. 7

8. Пат. 2245367 C2, Российская Федерация, кл. G01H33/18, Способ биотестирования проб воды и водных вытяжек / Ларченко В. П. ; заявитель и патентообладатель Военно- медицинский институт Федеральной пограничной службы Российской Федерации при Нижегородской государственной медицинской академии; Ларченко В. П.. – опубл. 2004.03.27, Бюл. № 21 – 5 с. 8
9. Пат. 866470, СССР, кл. G01H33/18, Способ оценки токсичности различных веществ сточных и природных вод / Стом Д. И. ; заявитель и патентообладатель Научно- исследовательский институт биологии при Иркутском государственном университете им. А. А. Жданова – опубл. 1981.09.23, Бюл. № 35 – 2 с. 9
10. Рыжков Л. П. Измение биологического качества воды реки Неглинки – притока Онежского озера под влиянием антропогенной нагрузки / Л. П. Рыжков, Н. В. Артемьева // Экосистема малых рек: биоразноообразие, экология, охрана. Тезисы докладов II Всероссийской конференции 16–19 ноября 2004 г. – Борок, 2004. – C. 75– 76. 68\
11. Рябчиков Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования / Б. Е. Рябчиков – М.: ДеЛи принт, 2004.– 301 с. 70
12. СанПиН 2.1.4.1074–01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 26 сентября 2001 г. № 24. 10
13. Томилин Н. В., Генетическая стабильность клетки / Н. В. Томилин – Л., 1983, – 156 с. 77
14. ВОЗ Руководство по обеспечению качества питьевой воды третье издание, том 3, 2011 с. 21-28
15. Гуляк С. В. Повышение эффективности опробирования гидрогеологических скважин при использовании наружных насосных установок по ВАК РФ 25.00.14., 2005 с 27 Интернет-ресурсы:
16. greenpeace.org
17. http://www.nevariver.ru/eco.php

Выполнила: Романова Ольга Дмитриевна,

Учащаяся 10 класса ГБОУ лицей №95 Калининского района Санкт-Петербурга

Руководитель проекта: Чегодаева Маргарита Геннадьевна