https://www.thermofisher.com/ru/ru/home/products-and-services/promotions/russia-promos.html?cid=PJT6312-WPR2373-russiapromos-FURL-0620-EU
Подписаться
Оглавление
Биомолекула

Испытать на чужой шкуре: применение живых организмов для оценки качества воды

Испытать на чужой шкуре: применение живых организмов для оценки качества воды

  • 178
  • 0,0
  • 0
  • 1
Добавить в избранное print
Обзор

В существование микробов не верил, но пил на всякий случай только кипячёную воду.
Эмиль Кроткий. Отрывки из ненаписанного.

Рисунок в полном размере.

адаптировано по материалам сайта Floating Plankton Painting

Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: За что можно похвалить изобретателей микроскопа? На какие мысли могла натолкнуть наших далеких предков массовая гибель рыбы? Как своим аппетитом коловратка воду осветляла, и почему репчатый лук достоин заслуг? На какую работу устроились австралийские раки в Питере, и почему работники водоканала так заинтересованы в их спокойствии? Как с помощью живых организмов можно сэкономить время и деньги? Ответы на эти загадочные вопросы вы узнаете в этой статье, посвящённой таким интересным методикам, как биотестирование и биоиндикация, актуальность и суть которых мы рассмотрим на примере исследования качественных характеристик природных вод. Устраивайтесь поудобнее — и приятного вам чтения!

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.


BiotechClub

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.


SkyGen

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.


«Диа-М»

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Немного истории

Живые организмы окружают человека постоянно и повсеместно. Раньше люди могли наблюдать за поведением только тех из них, которых могли рассмотреть невооружённым глазом. Однозначный анализ поведения и реакций различных животных требует определённых знаний, которых у наших далеких предков, вероятно, не было. Однако существует явление, понимание которого не требует никаких особых познаний — смерть. Благодаря смерти крупных организмов древние люди, теоретически, могли судить о состоянии окружающей их среды. Например, жители первобытных племён поставили бы под сомнение качество воды в озере, в котором погибли все животные за пару дней. Плавающая кверху брюхом рыба и другие подобные масштабные явления вряд ли оставались незамеченными и могли служить признаками плохого качества воды даже для первобытных людей.

Конечно, наши далекие предки использовали ещё один способ оценки качества воды, который мы и сами используем по сей день, зачастую не подозревая об этом. Ведь никто не отменял органолептические показатели: цветность, прозрачность, мутность, запах и привкус. Рецепторы и зрение всегда с нами, поэтому никакой анализ не убедит нас в том, что ржавая и дурно пахнущая вода пригодна для питья. Вследствие этого использование возможностей собственного организма для оценки качества воды можно считать самой древней «методикой», так как она у нас от природы. Однако органолептических свойств недостаточно для обнаружения высоких концентрации тяжелых металлов, нитратов и других загрязнителей. Это связано с тем, что возможности нашего организма ограничены. Большинство растворённых в воде веществ незаметны без использования дополнительных методов анализа.

Ещё до появления науки о жизни в воде — гидробиологии — были предприняты попытки изучения обитателей водной среды. Так, уже в 1674 году нидерландский натуралист Антони ван Левенгук описал микроскопическую водоросль спирогиру (Spirogyra) и воздействие на неё ветра (рис. 1) [1]. И цветение водорослей не осталось без внимания – швейцарский учёный Де Кандолль выполнил первое научное описание этого процесса ещё в 1826 году [2].

Скопление нитчатой водоросли спирогиры в водоёме

Рисунок 1. Скопление нитчатой водоросли спирогиры в водоёме. Она является одной из самых распространённых пресноводных водорослей в мире. Может находиться как на поверхности водоёма, так и стелиться по дну.

Зоопланктонная сеть Джеди

Рисунок 2. Одна из многих разновидностей планктонных сетей – зоопланктонная сеть Джеди. Все виды современных планктонных сетей так или иначе являются «потомками» сети Мюллера и активно используются гидробиологами.

В 1838 году вышел знаменитый труд немецкого естествоиспытателя Христиана Эренберга, где впервые подробно изображаются и описываются многие низшие водоросли, коловратки и простейшие [3]. Ещё более подробные исследования планктонных организмов относятся к 1845 году — их проводил датский биолог Отто Мюллер, который подробно описал планктон. А его однофамилец, немецкий учёный Иоганн Мюллер впервые использовал мелкоячеистую сеть для лова планктона (рис. 2) [4].

Эти и многие другие открытия стали возможны благодаря изобретению микроскопа в конце XVI века [5]. С того момента человеческий глаз стал вооружённым, перед ним открылись новые миры вездесущих микроорганизмов. Наблюдения за ними привели к накоплению больших запасов знаний.

История науки и всего человеческого прогресса свидетельствуют, что рано или поздно люди начинают использовать накопленные знания на практике. В дореволюционной России вопросы загрязнения водоемов и оценки качества воды возникали и решались бессистемно, но уже в начале XX века были предприняты первые серьёзные попытки, направленные на системную работу с этими проблемами. В 1913 году вышла в свет научно-популярная книга российского ботаника Александра Петровича Артари «Руководящие принципы оценки воды по её флоре», которая по меркам того времени привлекла к себе внимание довольно широкого круга читателей — грамотных тогда было не так много [6]. В годы Советской власти работы, нацеленные на изучение качества вод, начали активно развёртываться во многих учреждениях страны и стали применяться в оценке качественных характеристик питьевых и сточных вод [7]. Зарубежные исследователи в те далёкие времена также активно занимались изучением реакций гидробионтов на различные неблагоприятные воздействия и размышляли об их использовании в качестве индикаторов качества воды. Например, было выяснено, как микроскопические организмы сувойки могут свидетельствовать о загрязнении ила [8]. Были работы и другого характера, которые были направлены на очистку питьевой воды от микроорганизмов с помощью различных химических веществ, что также требовало конкретных знаний об их природе [9].

С тех самых пор был дан старт бесконечной череде полевых исследований и лабораторных экспериментов, которые проводятся по сей день во всём мире.

Найти корень проблемы

Сейчас качество используемой в питьевых нуждах воды является одним из основополагающих факторов, оказывающих влияние на здоровье населения. Именно поэтому эксперты Всемирной организации здравоохранения озабочены методами оценки её пригодности к употреблению и дают соответствующие рекомендации по определению качественных характеристик. Например, Шведской королевской академией наук было предложено использование растительной тест-системы Allium test, где в качестве тест-объекта используются проростки корешков посевного репчатого лука Allium cepa (рис. 3) [10].

Репчатый лук

Рисунок 3. Репчатый лук Allium cepa. Известен более 5 тысяч лет и является одним из самых древних культурных растений.

Позднее данный тест был рекомендован специалистами ВОЗ в качестве стандарта в цитогенетическом мониторинге природной среды и воды. Ещё в 1980-е годы с помощью метода Allium test был изучен генотоксический потенциал около 150 химических соединений, что уже тогда явно свидетельствовало об относительной универсальности его применения [11]. Плюс ко всему, репчатый лук очень дёшев и широко распространён, а ещё он не требует особого ухода. Рассмотрим один из методов биотестирования воды с помощью метода Allium test.

Как же этот тест работает? Определённое количество луковиц подготавливают к опыту, удаляя наружные чешуйки. Затем их помещают в пробирки, наполненные исследуемой водой на четыре дня, меняя при этом воду каждый день. Таким же образом закладывается другая параллельная серия луковиц в чистой воде в качестве контрольной. На второй день небольшие образцы корней каждой из пяти луковиц подготавливают для микроскопического обследования. Затем происходит подсчитывание и анализ 100 митозов на каждые 400 клеток с целью расчёта делящихся клеток от общего числа проанализированных клеток (митотический индекс). На четвёртый день начинают изучение морфологических признаков — измеряют длину корневищ всех луковиц и фотографируют серии (рис. 4) [12].

Длина корней репчатого лука, растущего в воде

Рисунок 4. Длина корней репчатого лука, растущего в воде. Первый образец слева – контрольный, находящийся в чистой воде. Все последующие образцы находятся в воде с разным содержанием загрязняющих веществ (% — концентрация).

Корневые клетки репчатого лука способствуют превращению многих немутагенных веществ в мутагенные, что помогает выявить химические соединения, усиливающие свой токсический эффект в процессе метаболизма. Уже более 70 лет учёные исследуют воздействие различных химических соединений и мутагенов, в частности, на процессы деления клеток в корнях репчатого лука [13]. Помимо оценки качества воды, водных объектов, высаживая в них луковицы в лабораторных условиях [14]. Токсичность воды можно определять с помощью изучения изменений как макроскопических, так и микроскопических характеристик — заметных и незаметных невооружённому глазу. Однако стоит сказать, что данный метод, несмотря на свою универсальность, весьма трудоёмкий и долгий, так как результат можно получить только через несколько дней. Но есть и другие, более оперативные методы!

Чем раньше, тем лучше: зелёные молекулы

Многие исследователи в настоящее время занимаются поиском методов, направленных на выявление загрязнений на самых ранних этапах. Крупные гидробионты далеко не всегда оперативно свидетельствуют о явных признаках загрязнения воды — они вообще могут никак реагировать на повышенное содержание загрязняющих веществ, если те находятся в малых для них концентрациях. Именно поэтому в данном вопросе лучше довериться более чувствительным микроорганизмам, а ещё лучше их составляющим — молекулам и клеткам, которые, как правило, быстро реагируют на стрессовые воздействия [15].

Так, существует методика, основанная на определении отклонения концентрации зелёного пигмента хлорофилла а в культуре микроводорослей, которая может свидетельствовать о неблагоприятном действии анализируемой воды. Биотестирование может проводиться с использованием различных видов пресноводных и морских микроводорослей. В качестве примера тест-объекта можно рассмотреть широко распространённый вид одноклеточных зеленых водорослей Chlorella vulgaris, обитающий в различных пресноводных водоёмах (рис. 5).

Одноклеточные водоросли хлорелла

Рисунок 5. Одноклеточные водоросли хлорелла (увеличение x1300). Возможно, некоторые из вас видели её в обработанном виде — в форме таблеток или порошка, так как она используется в качестве пищевой добавки в разных странах мира.

Данный вид весьма успешно культивируется в лабораторных условиях, а биотестирование с его использованием не требует стерильных условий. Для определения острой токсичности ровно через сутки после начала биотестирования определяют концентрацию хлорофилла а (в ацетольной либо этанольной вытяжках). При отсутствии острой токсичности биотестирование продолжается (до 96 часов) с целью выявления хронической токсичности, если таковая имеется.

В данном случае отклонение (относительно контрольной серии) значений концентрации хлорофилла а в культуре микроводорослей на 50% и более может свидетельствовать о разнонаправленном влиянии водыувеличение концентрации будет свидетельствовать о повышенном содержании биогенных веществ, а уменьшение станет показательной демонстрацией угнетающего воздействия воды. Уменьшение содержания хлорофилла а происходит при его превращении в феофитин под влиянием стрессоров, воздействующих на ферменты, катализирующих образование данного пигмента (рис. 6) [16].

Химическая структура превращения хлорофилла а в феофитин а

Рисунок 6. Химическая структура превращения хлорофилла а в феофитин а. При хроническом загрязнении среды изменение хлорофилла не останавливается на стадии феофитина, так как может произойти и полное разрушение пиррольного кольца [16]. Кстати, вы могли неоднократно наблюдать это превращение при приготовлении пищи — при продолжительной готовке и/или подкислении хлорофилл превращается в феофитин, поэтому ярко-зелёные овощи зачастую меняют свой оттенок или даже цвет после обработки.

Также можно использовать естественную флуоресценцию хлорофилла для биотестирования водной среды. Так, обнаружить воздействие солей тяжелых металлов на водорослевые сообщества можно с помощью изучения интенсивности флуоресценции хлорофилла, которая значительно изменяется при разрушении тонких клеточных мембран [17]. Помимо мониторинга флуоресценции хлорофилла, хорошим биотестом могут служить бактериальные ферменты биолюминесцентной реакции, которые обладают стабильной ответной реакцией, высокой чувствительностью и специфичностью, что обеспечивает быстрые и надежные результаты [18]. Главными достоинствами подобных методов являются высокая степень чувствительности и быстрота ответной реакции тест-объектов.

Коловратки: аппетит и выводок

Коловратка осветляет воду

Как уже упоминалось ранее, изобретение микроскопа открыло человеческому взору целый мир мельчайших организмов. Вряд ли бы биотестирование достигло современных успехов без микроскопа. Именно благодаря микроскопу можно обнаружить реакцию крохотных живых существ, которые, в свою очередь, являются очень чувствительными к внешнему воздействию. Массовая гибель — очевидный показатель существования веского фактора, который её вызвал. Однако есть и другие, не менее очевидные признаки.

Когда человека что-то беспокоит или у него что-нибудь болит, его аппетит притупляется или, наоборот, усиливается. Это характерно для многих живых организмов, в том числе для коловраток, которые уже на протяжении многих лет используются в качестве тест-объектов (рис. 7).

Коловратка Brachionus calyciflorus

Рисунок 7. Коловратка Brachionus calyciflorus. В нашей стране известно около 600 видов коловраток. Некоторые из них способны впадать в криптобиоз, что позволяет им пережить тяжелые времена.

сайт BioLib

С помощью определения степени пищевой активности коловраток можно оперативно (в течение получаса) определить токсическое загрязнение проб воды.

Коловратки питаются различными видами микроводорослей. В одной из методик биотестирования в качестве тест-объекта используются коловратки вида Brachionus calyciflorus, которые с завидным аппетитом поедают микроводоросли Chlorella и Scenedesmus. Перед началом биотестирования в два микроаквариума — контрольный и опытный — отсаживают определённое количество коловраток (контрольный микроаквариум наполнен дехлорированной водопроводной водой). Затем в строго определённом количестве в микроаквариумы вносят микроводоросли в виде суспензии. Аквариумы ставят в чашки Петри и накрывают листом светонепроницаемой бумаги для предотвращения фотосинтеза, чтобы минимизировать жизненную активность микроводорослей. Ровно через полчаса определяют показатель скорости осветления среды — объём среды, осветлённой одной коловраткой в единицу времени, потребляющей микроводоросли в качестве пищи. Если скорость осветления среды будет меньше, чем в контрольной серии (на 50% и более), то это будет расцениваться как острое токсическое воздействие воды, так как аппетит коловратки при таком воздействии снижается, в результате чего она меньше ест.

Ещё не родился, но уже пригодился

Коловратки Brachionus calyciflorus обычно размножаются путём циклического партеногенеза, то есть делением без оплодотворения яйцеклетки. Однако это нельзя считать бесполым размножением, потому что новый организм развивается из половой клетки. Какими бы способами коловратки ни размножались (это может зависеть от внешней среды), для проведения биотестирования в данном примере важны лишь их яйца (рис. 8) [19]. Рассмотрим метод, основанный на влиянии испытываемой воды на покоящиеся яйца коловраток.

Покоящиеся яйца коловраток

Рисунок 8. Покоящиеся яйца коловраток.

Перед началом опыта отбирают наиболее репрезентативные яйца: без повреждений и прочих отклонений. После этого отсчитывают покоящиеся яйца — с относительно плотной оболочкой, защищающей от неблагоприятных внешних условий. Такие яйца откладывают оплодотворённые самки. Затем яйца помещают в контрольный и опытный микроаквариумы, под люминесцентные лампы (или лампы накаливания) для обеспечения благоприятных условий для развития зародышей. Как вы уже наверняка догадались, через некоторое время наступает самое интересное — рождение или, если быть точнее, выклёвывание коловраток из покоящихся яиц. Критерием токсичности служит снижение выклева коловраток из покоящихся яиц. Подсчет новорождённых проводят через 24, 48 и 72 ч с помощью микроскопа, отсаживая при этом появившуюся молодь. Если спустя 24 часа отклонение показателя выклева молоди коловраток в опытной серии составляет 25% и более в сравнении с контрольной, то воздействие воды можно оценить как токсическое; через 48 и 72 часов — хроническое токсическое воздействие. Стоит отметить, что стимуляция выклева может осуществляться из-за воздействия на оболочку яиц некоторых химических веществ или интенсивного биологического влияния микроорганизмов. Именно поэтому очень важно испытывать выживаемость выклюнувшейся молоди коловраток.

Сердце бьётся — вода льётся: невские и австралийские раки на службе у петербуржцев

Наверняка вам известно, что перед тем, как вода попадёт в наши дома, она проходит определенные стадии очистки на очистных сооружениях. Промышленные предприятия и население практически круглосуточно нуждаются в воде, поэтому ее забор и очистка практически никогда не останавливаются. Наибольшую потребность в питьевой воде испытывают крупные города. На некоторых очистных сооружениях применяются весьма экзотичные методы оценки качества воды, которые можно рассмотреть на примере немаленького города Санкт-Петербурга.

Самым крупным источников питьевой воды в городе является река Нева. Прежде чем вода из реки попадает на очистку, её без устали (но посменно) исследуют самые необычные работники «Водоканала Санкт-Петербурга» — невские раки, которые даже не подозревают, что работают на благо водопотребителей (рис. 9).

Узкопалый речной рак в аквариуме

Рисунок 9. Узкопалый речной рак в аквариуме с датчиком, фиксирующем частоту сердцебиений.

Часть воды из реки проходит через аквариумы, где находятся раки. К их панцирю прикреплены специальные волоконно-оптические датчики. Эти устройства никак не нарушают жизнедеятельность десятиногих испытателей и непрерывно фиксируют показатели их жизненно важной функции — частоты сердцебиения, на основе которой определяется уровень стресса (стресс-индекс). Обычный сердечный ритм рака колеблется в диапазоне 30–60 ударов в минуту. В случае опасности число сердечных сокращений резко возрастает, в связи с чем увеличивается и стресс-индекс. Когда в воде значительно превышено содержание токсических веществ, то раки весьма оперативно об этом свидетельствуют — до 2 минут с учётом обработки данных. Если частота сердцебиения отличается от обычной не менее чем на 50%, то воду отправляют на дополнительное обследование с привлечением других методов для более объективной оценки.

На очистных сооружениях очистка воды производится не только перед её использованием, но и после — на канализационных очистных сооружениях перед тем, как сбрасывать сточные воды в водные объекты. В Петербурге без членистоногих не обошлось и в этом случае. Если при заборе воды с помощью раков исследовали воду до очистки, то при её сбросе они уже используются после очистки — раки являются последней инстанцией и оценивают качество сточных вод. Так как температура забираемой и сбрасываемой воды зависит от времени года, при проведении биотестирования используются раки, приспособленные к определённым термическим диапазонам. Например, в тёплое время года, когда температура сточных вод составляет 26–30 градусов, используются краснопалые раки Red Claw Cherax quadricarinatus, обитающие в тропической части Австралии (рис. 10).

Австралийский краснопалый рак

Рисунок 10. Австралийский краснопалый рак.

сайт AquaInfo

В связи с тем, что на очистных сооружениях очень шумно и практически постоянно присутствуют люди, на базе Главной водопроводной станции функционирует специальная ферма по разведению раков, где происходит их адаптация к различным внешним раздражителям, которые не должны влиять на их жизнедеятельность и сердечный ритм, в частности. Спокойный и невозмутимый рак — ценный сотрудник!

Пока все дома под одною крышей, пока все дома как одна семья

Биотестирование и биоиндикация являются созвучными словами, их легко перепутать, но это совсем разные определения. Все предыдущие примеры касались биотестирования, а сейчас пришло время поговорить о биоиндикации природных вод, чтобы основательно понять различия этих методов. Для этого вкратце рассмотрим один из показательных примеров.

Водоросли обитают практически во всех водных объектах. Если в речной или морской воде их нет, то, вероятнее всего, вы просто их не видите. Порой некоторые виды водорослей доказывают свое существование в период активного размножения, что часто называют «цветением», или более научным языком «эвтрофированием» (рис. 11) [20].

Цветение синезелёных водорослей

Рисунок 11. Цветение синезелёных водорослей в озере Тетис (Австралия). Подобная вода не только непригодна для питья, но также может вызвать раздражение кожи и аллергические реакции во время купания. В такой густой жиже могут содержаться опасные токсины, поэтому старайтесь держаться от неё подальше.

Такие процессы заметны невооруженным глазом и свидетельствуют о явном повышении концентрации биогенных элементов в водоёмах. Избыток азота и фосфора в хорошо прогретой воде превращают её в идеальную среду для бурного развития синезелёных водорослей, так как теплая вода и присутствие биогенных элементов наиболее благоприятны для их размножения. В данном случае синезелёные водоросли являются биоиндикаторами, свидетельствующими о высокой концентрации биогенных элементов. Естественно, учёным недостаточно только увидеть зелёную дурно пахнущую воду для получения конкретных выводов, поэтому они отбирают пробы, чтобы определить численность микроводорослей, видовой состав, долю от общей биомассы и прочие параметры. Поступление биогенных веществ в водные объекты может происходить со сточными водами городов, сельскохозяйственных угодий и предприятий, но также может быть вызвано причинами природного происхождения. Одна из таких причин — влияние птиц, с помётом которых биогенные элементы поступают в водные объекты (рис. 12).

Массовые гнездовья морских колониальных птиц

Рисунок 12. Массовые гнездовья морских колониальных птиц (птичьи базары). Являются крупным природным источником поступления питательных веществ в водные экосистемы.

После активного размножения этих водорослей в водном объекте происходит множество перемен в жизнедеятельности других видов организмов, так как микроводоросли находятся в начале пищевой цепи. Результаты всех этих преобразований приводят к сокращению биоразнообразия, выделению токсинов, нарушению кислородного режима водоёма и прочим неприятностям (рис. 13). Например, в синезелёных водорослях рода Microcystis и Aphanizomenon и продуктах их жизнедеятельности могут содержаться яды, поражающие нервную систему и печень рыб; также они способны накапливаться в тканях человека. Уже в XIX веке были описаны случаи массовой заболеваемости и гибели рогатого скота из-за токсинов, выделяемых водорослями в водоёмах, которые использовались в качестве водопоев [21].

Эвтрофикация

Рисунок 13. Эвтрофикация и некоторые её последствия на примере прибрежной зоны моря.

Биоиндикаторов, используемых для изучения качества воды, очень много. Вообразите только, какие они все разные и насколько у них могут быть различные реакции на загрязнение воды: некоторые виды погибают, другие меняют тип размножения или активнее размножаются, третьи — мигрируют в более благоприятные условия, какие-то из них накапливают в тканях загрязняющие вещества. Биоиндикатором может быть отдельный вид, несколько видов или даже вся водная экосистема в целом (рис. 14). Стоит отметить, что существует и обратная связь: чистота водоема зависит от функциональной активности сообщества организмов в нём [22], [23]. Получается некий замкнутый круг, потому что состояние экосистемы зависит от качества воды, но и само качество воды зависит от состояния экосистемы.

Общая схема биоиндикационных признаков

Рисунок 14. Общая схема биоиндикационных признаков.

Как видите, принципиальное отличие биоиндикации от биотестирования заключается в том, что при биоиндикации организмы извлекаются из природной среды, в которой они непосредственно обитают, и отправляются на детальный анализ. Если это крупные гидробионты, то их могут исследовать на месте, после чего отпустить на волю. Культивировать биоиндикаторов в лабораториях нет необходимости, и специальных опытов над ними не ставят. Суть биоиндикации заключается в определении необходимых характеристик, сформированных в естественных условиях обитания организма или группы организмов.

Отвлечёмся от биологии

Разумеется, одним биотестированием анализ воды не ограничивается. Живой тест-объект может своим поведением или даже смертью сказать нам о повышенном содержании каких-либо веществ в воде, но это будет лишь качественный результат, потому что для количественного нам нужно знать максимально точную концентрацию загрязнителя. На помощь приходят другие небиологические методы, которые мы сейчас рассмотрим.

Выбор метода анализа зависит в основном от поставленных целей и имеющихся возможностей (времени, приборной базы, необходимых специалистов и т. д.). Если нам нужно одним махом определить максимально точное содержание химических веществ в воде, то сложно представить способа лучше, чем оптические методы. Ниже представлены некоторые из них:

Перечисленные методы анализа очень похожи друг на друга, но для их проведения необходимы различные и весьма дорогостоящие чувствительные приборы (фотометры, спектрометры и др.), которые позволяют с высокой точностью определять химический состав исследуемой воды (рис. 15).

Атомно-абсорбционный спектрометр

Рисунок 15. Атомно-абсорбционный спектрометр.

Титриметрический анализ

Рисунок 16. Титриметрический анализ. В прикреплённой к штативу бюретке находится титрант, а в колбе под ней — анализируемая вода с определяемым веществом.

Перечисленные методы можно считать весьма сложными, потому что для них необходимы хитро устроенные приборы, подробности работы которых могут не знать даже те специалисты, которые регулярно ими пользуются. Если такая штука сломается, то тут без помощи не обойтись. Но есть и более простой метод анализа, который можно считать классическим — титрование, с которым некоторые из вас сталкивались на уроках химии в школе. Титрование является одним из самых известных методов химического анализа во всём мире уже много лет. Метод основан на измерении объёма раствора реактива известной концентрации (титранта), расходуемым для реакции с веществом, которое нужно определить (рис. 16).

Титрование бывает разных типов, что зависит от природы химических реакций (осадительное, кислотно-основное, окислительно-восстановительное и комплексонометрическое). Данный вид анализа является основным при определении различных макрокомпонентов природных вод (хлориды, сульфаты, карбонаты, кальций, натрий и др.) [24].

Преимущество титриметрического анализа заключается в его простоте и быстроте. Однако следует сказать, что для каждого определяемого химического компонента нужно проводить отдельный анализ. К счастью многих исследователей, автоматизация не обошла титрование стороной (рис. 17).

Один из примеров автоматического титрования

Рисунок 17. Один из примеров автоматического титрования. На этом рисунке происходит тот же процесс, что и на предыдущем, но уже с помощью современных технологий, облегчающих и ускоряющих анализ.

Аналитическая химия никогда не стоит на месте. Постоянно появляются новые методики и совершенствуются уже известные. Всё это требует огромных финансовых затрат и привлечения широкого круга специалистов — от химиков до изобретателей различных приборов. В нашей стране и за рубежом существует и постоянно обновляется огромная нормативная база, где детально прописываются различные методы анализа и рекомендации по их применению [25]. Ну а теперь пришло время приступить к заключительной части, где мы подведём итоги.

Зачем всё это и почему это выгодно: разбираемся!

В статье вы ознакомились с несколькими примерами биотестирования и биоиндикации, научились различать эти методы. Теперь пришло время поговорить об актуальности и преимуществах этих методик.

Как известно, самый надёжный способ определить содержание загрязняющего компонента в воде — химический анализ, разновидностей которого существует великое множество. Если есть такой надёжный анализ, зачем использовать живые организмы? Ведь коловратка и невский рак не скажут ученым, в каком количестве и в какой форме находятся загрязняющие вещества в воде. Конечно, есть способы вычислений примерной концентрации загрязнителей, которые основаны на интенсивности ответной реакции (как вы могли видеть на рисунке 4, длина корней лука зависела от степени загрязнённости воды). Однако это всё равно приблизительный результат, и биотестированию точно не может тягаться в точности с химическим анализом. Что касается биоиндикаторов, живущих в водных объектах, то на них могут воздействовать самые неожиданные факторы, которые ещё нужно определить и классифицировать. Я уже не говорю о том, что для использования живых организмов в биотестировании и биоиндикации нужно хорошо знать особенности их жизнедеятельности. Также их нужно культивировать в лаборатории. Зачем всё это?

Когда речь идет о предварительном анализе воды (без информации о подозреваемом источнике загрязнения), то биотестирование сложно чем-то заменить. Допустим, у нас есть огромное количество проб воды, в некоторых из которых содержится в высоких концентрациях определённый загрязнитель (ртуть, нефтепродукты, фенолы или какой-нибудь другой). Конечно, мы сразу можем начать использовать химический анализ для всех проб без разбора. Но ведь это очень долго и дорого! Гораздо разумнее отсортировать пробы без интересующего нас загрязнителя с помощью реакции подходящего тест-объекта. Когда токсичность воды нужно исследовать непрерывно (как в случае с водоканалом в Санкт-Петербурге), то биотестирование является наиболее подходящим методом.

У биоиндикации есть очень важное преимущество перед химическим анализом и даже биотестированием — биоиндикаторы дают нам возможность узнать о состоянии окружающей среды. Это очень важно при биоцентрическом подходе и мировоззрении. Раки на водоканале и коловратки в микроаквариуме тестируют воду ради наших потребностей. Однако нужно понимать, что от загрязнения воды страдают также обитатели водных объектов. Для своих нужд человек может очистить природную воду с помощью очистных сооружений и всевозможных фильтров, но мы на этой планете далеко не одни. В чистоте и безопасности воды заинтересованы все гидробионты. Находясь в воде — у себя дома — они, как никто другой, сигнализируют о гидроэкологическом состоянии водных объектов. Они дают тревожный звонок, что нужно предпринимать срочные меры, направленные на оздоровление водных объектов.

Пришло время заканчивать. Надеюсь, вы узнали много для себя интересного. В статье приведено ничтожно мало примеров, а ведь я затронул только оценку качества воды. Так, биоиндикация активно используется при изучении загрязнения почв (например, с помощью грибов) и воздуха (с применением эпифитных лишайников). И это лишь несколько примеров из тысяч! Рассмотрев множество отечественных и зарубежных публикаций об описанных методах, я убедился, что у подобных исследований всё ещё впереди. По мере изучения живых организмов и их реакций на различные стрессоры эти методики будут развиваться и дальше.

Предлагаю довершить прочтение статьи поэтично — невероятно подходящей и мудрой для данного случая басней французского баснописца, написанной еще в XIX веке:

Разглядывать под микроскопом
Я стал однажды капельку воды.
Напрасны не были труды:
Я множество живущих скопом
Существ миниатюрных увидал.
Какое зрелище чудесное для взора!
Я начал наблюдать и скоро
Законы их, обычаи узнал,
И даже обнаружил у бактерий
Немало суеверий.
Ту каплю, где живут они,
Считают эти крошки центром мира,
Подобного себе придумали кумира,
Решили: капля их – важнейшее звено,
Погибнет мир с ней заодно...

Смешно? Но, в сущности, мы столь же эфемерны,
Масштабы же Вселенной непомерны,
И, право, не могу сказать я, чтобы
Мы, люди, значили в ней больше, чем микробы.


Пьер Лашамбоди. Микроскоп и капля воды

Литература

  1. Frank N. Egerton. (2006). A History of the Ecological Sciences, Part 19: Leeuwenhoek's Microscopic Natural History. Bulletin of the Ecological Society of America. 87, 47-58;
  2. Зилов Е. А. Гидробиология и водная экология (организация, функционирование и загрязнение водных экосистем). Издательство ИГУ, 2009. — 147 с.;
  3. Christian Gottfried Ehrenberg Die Infusionsthierchen als vollkommene Organismen. Ein Blick in das tiefere organische Leben der Natur. — L. Voss, 1838;
  4. Otis Laura. Müller’s Lab. Oxford: Oxford University Press, 2007. — 336 p.;
  5. 12 методов в картинках: микроскопия;
  6. Артари А.П. Руководящие принципы оценки воды по её флоре. Москва: тип. П.П. Рябушинского, 1913. — 56 с.;
  7. Барсов К.К., Бруевич С.В., Долгов Г.И., Дьяконов П.П., Жуков А.И. Стандартные методы исследования питьевых и сточных вод. Москва: Мосполиграф, 1927. — 252 с.;
  8. T. B. REYNOLDSON. (1942). Vorticella as an Indicator Organism for Activated Sludge. Nature. 149, 608-609;
  9. George Thomas Moore, Karl F. Kellerman A method of destroying or preventing the growth of Algæ and certain pathogenic bacteria in water supplies. By George T. Moore ... and Karl F. Kellerman. — Gov't print. off., 1904;
  10. GEIRID FISKESJÖ. (2008). The Allium test as a standard in environmental monitoring. Hereditas. 102, 99-112;
  11. William F. Grant. (1982). Chromosome aberration assays in allium. Mutation Research/Reviews in Genetic Toxicology. 99, 273-291;
  12. Izharul Haq, Vineeta Kumari, Sharad Kumar, Abhay Raj, Mohtashim Lohani, Ram Naresh Bhargava. (2016). Evaluation of the Phytotoxic and Genotoxic Potential of Pulp and Paper Mill Effluent Using Vigna radiata and Allium cepa. Advances in Biology. 2016, 1-10;
  13. SHAMS TABREZ, SHAZI SHAKIL, MARYAM UROOJ, GHAZI ABDULLAH DAMANHOURI, ADEL MOHAMMAD ABUZENADAH, MASOOD AHMAD. (2011). Genotoxicity Testing and Biomarker Studies on Surface Waters: An Overview of the Techniques and Their Efficacies. Journal of Environmental Science and Health, Part C. 29, 250-275;
  14. T. A. Zotina, E. A. Trofimova, Yu. V. Alexandrova, O. V. Anishchenko. (2019). Assessment of the Quality of Bottom Sediments in the Middle Reaches of the Yenisei River by Allium test. Contemp. Probl. Ecol.. 12, 265-274;
  15. Бакаева Е.Н., Никаноров А.М. Гидробионты в оценке качества вод суши. М.: Наука, 2006. — 239 с.;
  16. Вайнерт Э., Вальтер Э., Ветцель Т., Егер Э. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. М.: Мир, 1988. – 348 с.;
  17. Осипов В. А., Абдурахманов Г.М., Гаджиев А.А., Братковская Л.Б., Заядан Б.К. (2012). Использование флуоресценции хлорофилла «а» для биотестирования водной среды. Юг России: экология, развитие. 2, 93–100;
  18. Микроскопическое свечение космического масштаба;
  19. Lutz Becks, Aneil F. Agrawal. (2010). Higher rates of sex evolve in spatially heterogeneous environments. Nature. 468, 89-92;
  20. I. К. Zhurkovich, N. G. Kovrov, N. V. Lugovkina, B. L. Milman. (2018). Be careful of microcystins!. ChemTS. 8, 458-463;
  21. GEORGE FRANCIS. (1878). Poisonous Australian Lake. Nature. 18, 11-12;
  22. Остроумов С.А. (2002). Сохранение биоразнообразия и качество воды: роль обратных связей в экосистемах. Доклады Академии Наук. 1, 138–141;
  23. Опекунова М.Г. Биоиндикация загрязнений. Издательство СПбГУ, 2016. — 300 с.;
  24. Золотов Ю.А. Основы аналитической химии. д ред. Ю. А. Золотова. М.: Высш. шк., 2004. — 503 с.;
  25. Фомин Г.С. Вода: контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам. Москва: Протектор, 2010. — 1007 с.
https://www.dia-m.ru/news/programma-vebinarov-i-meropriyatiy-diaem/

Комментарии