Влияние нефтяных загрязнений

Нефть — самый интенсивный загрязнитель вод: 100 г нефтепродуктов загрязняют 8 тыс. л воды настолько сильно, что она становится непригодной для жизни гидробионтов и хозяйственного потребления. Нефтяная пленка затрудняет и даже прекращает обогащение воды кислородом. Пути разложения нефтепродуктов в водоемах изучены слабо. Известно, что их растворимость невелика, распад нефти происходит медленно, особенно при низких температурах. Для этого процесса нужен кислород: полное окисление нефти заканчивается в аэробных условиях не ранее чем через 100— 150 дней, а в анаэробных — еще позже.

Для разложения нефти необходимы соответствующие микроорганизмы: скорость ее разложения зависит от количества и вида бактерий, доступности кислорода и температуры. Окисление нефти в холодной воде происходит очень медленно. Для полного окисления 1 л нефти требуется кислород, содержащийся в 400 тыс. л воды. Это при его нормальной летней концентрации в речной воде — 7—8 мг/л. Зимой подо льдом кислорода очень мало — менее 4 мг/л. В этих условиях 1 л нефти приводит в негодность около 1 млн. л воды.

Оставшаяся в воде и осевшая на дно нефть в течение длительного времени отравляет водные экосистемы. Кроме того, она обладает особенностью захватывать и концентрировать другие загрязнения: тяжелые металлы, пестициды. Чем больше площадь разлива, тем сильнее возрастает вероятность аномальных реакций, так как вещества, растворимые в нефти, начинают участвовать во многих химических процессах. При образовании нефтяной пленки происходит концентрирование металлов, и начинаются реакции между металлами и органическими соединениями.

Еще в начале века был определен основной ядовитый для гидробионтов компонент нефти — «нефтяной яд»: предельные углеводороды, имеющие состав С5Н12 — C8H18, летучие кислоты и фенолы, органические основания и нафтеновые кислоты. В естественных условиях количество последних возрастает под влиянием солнечного света и кислорода воздуха.

Многочисленными исследованиями доказано, что токсичны сырая нефть различных месторождений, рафинированная (топливная) и диспергированная нефть, соляр, бензин, риформинг-бензин, керосин, легкое и тяжелое дизельное топливо, хлороформный битумоид, толуол, ксилол, фенол, анилин, нафталин, циклогексан, нефтеносные сланцы и пр. Нефтяные углеводороды являются нормируемым показателем состояния природных вод, который должен характеризовать степень антропогенного влияния. ПДК нефтепродуктов в воде — 0,05 мг/дм куб. для водоемов рыбохозяйственного назначения и 0,3 мг/ дм куб. для водоемов хозяйственно-бытового пользования.

При изучении вредного воздействия нефтяных загрязнений на живые организмы различных водоемов одной из важнейших проблем продолжают оставаться возможные последствия потребления человеком в пищу рыб и других гидробионтов, в организмах которых накапливаются наиболее опасные полициклические ароматические углеводороды, обладающие канцерогенными свойствами.

Всестороннему изучению различных аспектов влияния нефтяных загрязнений воды на жизнедеятельность флоры и фауны посвящены многочисленные исследования. Хотя и ограниченно, но имеются сведения об изменениях под влиянием нефтяного загрязнения белков, нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Такие данные необходимы для оценки действия токсиканта на наследственные признаки, для изучения физиологических и биохимических механизмов интоксикации и т.п. Нефть не является специфическим токсикантом, поражающим какую-либо одну систему, а вызывает несогласованные изменения в содержании упомянутых выше веществ. Степень интоксикации водных животных и растений углеводородами нефти зависит от концентрации и продолжительности воздействия вещества, температуры среды, сезона, освещенности и пр., а также пола, возраста и размера организмов.

Водным организмам присущи не только поглощение и бионакопление углеводородов нефти, но и их выведение. В настоящее время можно привести следующую классификацию специфического биологического действия нефти:

• прямая летальная токсичность: действие углеводородов на клеточные и субклеточные процессы, и особенно на мембранную активность, вызывает гибель организма;
• сублетальное нарушение физиологической активности и поведенческих реакций: эффект связан с воздействием на физиологические процессы в клетках, но не приводит к немедленной смерти; в этом случае причиной гибели могут быть ненормальные реакции, главным образом связанные с нарушением питания и размножения;
• прямое воздействие вследствие обволакивания тела животных нефтью;
• включение углеводородов в ткани животного, что может вызвать, во-первых, изменение вкусовых качеств и снижение товарной ценности рыбы и прочих аквапродуктов, во-вторых, аккумуляцию полициклических ароматических углеводородов и передачу их по пищевой цепи;
• влияние на среду обитания и в результате изменение видового состава биоценоза.

Материал и методика исследования

Daphnia является одним из стандартных объектов водной токсикологии.

В наших экспериментах мы использовали культуру Daphnia longispina, отловленную из природных водоемов города Сургута и культивируемую в аквариумах СЮН. Оптимальная температура для культивирования дафний оставляет 17-21 °С, освещенность - 10-12 ч в сутки. Для освещения лучше использовать люминесцентные лампы - они дают меньше тепла.

Кормят дафний обычно зелеными протококковыми водорослями: хлореллой, сценедесмусом и др. Концентрация водорослей в среде должна составлять не менее DO-500 тыс. клеток/мл. Можно кормить дафний пекарскими дрожжами: 2 мл 1%-ного раствора на 1 л среды. И водоросли, и дрожжи оседают на дно склянок, где становятся малодоступны для рачков. Поэтому необходимо либо регулярно перемешивать среду, либо увеличивать частоту кормления, либо, наконец, увеличить дозу корма - некоторые специалисты советуют вносить водоросли до концентрации 25-35 млн клеток/мл. Дафнии, испытывающие нехватку пищи, начинают «кувыркаться» через голову.

При соблюдении вышеуказанных условий дафнии в культуре будут активно размножаться (партеногенетически), их численность будет быстро расти. Следует своевременно отсаживать молодь, чтобы не возникло перенаселение, при котором может начаться массовая гибель рачков.

Кроме Daphnia longispina в качестве «подопытного» организма в наших экспериментах будет использоваться также одноклеточная зеленая водоросль Chlorella vulgaris. Выбор этого объекта обусловлен тем, что данная водоросль быстро размножается и легко культивируется на искусственных питательных средах. Кроме того, она широко распространена в природе и хорошо изучена учеными. Среди многих из возможных питательных сред взята минеральная среда Тамия следующего состава: KNO3 – 5.0; MgSO4 x 7H2O – 2.5; KH2PO4 – 1.25, сульфат железа или FeSO4 – 0.003 г\л. В готовую среду вносится раствор микроэлементов Арнона (2 мл\л среды).

Наращивание культуры водоросли производится в специально разработанном для этих целей культиваторе КВ – 04. В приборе предусмотрено выращивание в двух отдельных стаканах емкостью 150 мл., одновременно двух культур водоросли. Для обеспечения их углекислым газом, за счет растворения содержащегося CO2, обе суспензии перемешиваются магнитными мешалками, смонтированными в обеих отсеках культиватора. Мешалки, состоящие из четырех электромагнитов, питаемых переменным электрическим током и постоянного магнита, отпускаемого в стакан, запускаются кнопкой каждый раз после установки культуры в прибор. Облегчить запуск мешалок можно путем поворота стаканов вокруг своей оси.

Лабораторные токсикологические эксперименты с использованием дафний.

Для оценки токсичности различных веществ, а также сточных и загрязненных природных вод применяют экспресс-методы (острые опыты) длительностью 24-72 ч; длительные (хронические) исследования (от 2 недель до нескольких месяцев) и эксперименты на ряде поколений.

В острых опытах, как правило, оценивают только выживаемость дафний, иногда - изменения поведения, цвета тела, скорости сокращений сердца и ряд других физиологических показателей.

В хронических опытах помимо выживаемости оценивают изменения скорости роста и ряда показателей размножения: плодовитости, количества яиц в кладке, длительности промежутков между откладыванием порций яиц в выводковую камеру.

В опытах на ряде поколений рачков исходное поколение содержат в условиях эксперимента до появления у них потомства. Молодь (первое поколение} отсаживают в другой сосуд и содержат в тех же условиях, что и их родителей, до появления у них потомства. Это потомство (второе поколение) также отсаживают и т.д. В зависимости от целей эксперимента опыт ведут на двух-трех и более поколениях. Действие токсиканта оценивают по таким же показателям, как и в хроническом опыте. С помощью эксперимента на ряде поколений можно весьма полно и достоверно оценить токсическое действие того или иного вещества.

Дафнии для токсикологических экспериментов должны быть генетически однородными. Проверять генотипы всех особей, конечно, невозможно, однако делается допущение, что при партеногенетическом размножении потомство одной самки должно быть с одинаковыми генотипами. Мутационными процессами, которые могут иметь место, при этом пренебрегают.

Для получения такого генетически однородного потомства берут одну самку, помещают ее в сосуд со средой и обильно кормят. При соблюдении оптимальных условий (температура и т.п.) уже через 5-6 поколений численность рачков будет достаточной для проведения эксперимента.

Эксперименты необходимо проводить в нескольких повторностях, т.е. действие токсиканта в каждой из исследуемых его концентраций надо испытывать на нескольких особях, или когортах. Количество повторностей - не менее трех для каждого варианта опыта, в том числе и для контрольного варианта (с чистой средой - без токсиканта).

Среду для содержания дафний готовят так: в склянки наливают отстоянную водопроводную воду (на 3/4 объема склянки, при этом на одну особь должно приходиться не менее 50 мл), вносят корм (хлореллу, дрожжи и т.д.) и добавляют такое количество токсиканта, чтобы в склянке получалась исследуемая его концентрация. Количество токсиканта рассчитывают заранее, расчет ведут по действующему веществу.

Следует помнить, что токсичность разбавленных растворов многих веществ при хранении уменьшается, поэтому лучше приготовить концентрированный раствор и разбавлять его непосредственно при приготовлении среды.

Важная проблема водной токсикологии - изменение концентрации токсикантов в склянках в процессе проведения опыта. Это происходит в результате осаждения токсиканта на стенки и дно склянок, адсорбции его на частицах корма и т.д. Если опыт проводят в стаканах или склянках, следует менять среду. Проще всего это делать во время контроля за состоянием рачков, который проводят раз в сутки. При этом дафний отлавливают из стакана, проводят необходимые процедуры (измерение длины тела и т.д.) и пересаживают в свежеприготовленную среду. Другой способ - создание проточных систем, в которых происходит непрерывное обновление среды.

Оценка степени воздействия токсикантов на дафний

В острых опытах основным показателем токсичности среды является выживаемость рачков. За выживаемостью дафний, наблюдают непрерывно в течение первого часа воздействия вещества, через каждые 15 мин в продолжение 2-го часа, затем ежечасно до конца первого дня наблюдений, а в последующие сутки - 2-3 раза в день.

В качестве показателя гибели рачков используется неподвижность (иммобилизация) - дафнии лежат на дне стакана, либо висят у поверхности воды, плавательные движения антенн отсутствуют и не возобновляются струей воды или при покачивании стакана. Но у дафний еще может сохраняться сокращение сердца, дрожание глаза, слабое конвульсивное подергивание антенн, торакальных ног, постабдомена. Обычно долго сохраняется перистальтика кишечника (даже у разлагающихся рачков).

Иммобилизованных рачков целесообразно просмотреть под бинокуляром для выявления симптомов гибели и определения типа действия вещества. Данные о времени гибели организмов вносятся в таблицу протокола опыта.

В качестве дополнительных показателей в остром опыте необходимо учитывать: изменение окраски тела, кишечника, жирового тела, состояние гонад, степень наполнения кишечника пищей, а также поведенческие реакции. Особенно важно отмечать ситуации тетанического сокращения мышц туловища, выдавливание из выводковой камеры яиц и зародышей и судорожное опорожнение кишечника.

Степень токсичности изучаемых вод определяется ее снижением по мере разбавления чистой водой. Если токсичность изучаемой воды не проявляется в острых опытах или она снимается при разбавлении 1: 10, то говорят о слабой степени ее токсичности. Снижение токсичности исследуемой воды при разбавлении ее более, чем в 10 раз - средняя степень токсичности; если токсичность снижается только при разбавлении более, чем в 100 раз, то эта изучаемая вода обладает высокой степенью токсичности.