СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ Российский патент 1998 года по МПК G01N33/18 

Изобретение относится к способах контроля химического загрязнения окружающей среды, в частности к способам анализа токсичности водных сред, и может быть использовано при осуществлении природоохранных мероприятий, в том числе для регулирования сброса в окружающую среду поверхностных стоков и сточных вод промышленных предприятий, например буровых растворов; для оценки токсичности вновь синтезированных химических веществ и пр.

Известен метод токсикологического биотестирования водных растворов, в частности буровых, в котором стандартным тест-объектом служат мизидовые креветки. Испытуемый раствор разбавляют морской водой в пропорции 1:10. После отстаивания в течение 1 ч смесь разделяется на три слоя: верхний (слой прозрачной дисперсионной среды), средний (слой жидкости, в которой взвешены тонкодисперсные частицы твердой фазы), нижний (слой осадка грубодисперсных твердых частиц). Для токсикологических испытаний используют средний слой, из которого путем разбавления морской водой готовят ряд проб с разной концентрацией токсиканта. В подготовленные пробы помещают креветок и через 96 ч подсчитывают число погибших особей в каждой пробе.

Критерием токсичности бурового раствора служит LC₅₀ - концентрация той пробы, обитая в которой за 96 ч погибает 50% креветок [1].

Однако способ биотестирования водных растворов с использованием креветок весьма трудоемок и исключает возможность оперативного контроля токсичности.

Наиболее близким к предлагаемому является способ индикации загрязнения окружающей среды химическими веществами, заключающийся в воздействии пробой, исследуемой на токсичность, на взвесь клеток тест-культуры с последующим контролем изменений в культуре, при этом исследуемую пробу наслаивают на тест-культуру, помещенную на одну кювету, а контрольную заведомую нетоксичную пробу наслаивают на тест-культуру, помещенную в другую кювету. Затем фотометрическим способом регистрируют перераспределение клеток тест-культуры между верхней и нижней зонами той и другой кювет. В присутствии токсиканта концентрация клеток тест-культуры в верхней (контролируемой) зоне кюветы будет тем меньше, чем выше токсичность исследуемой пробы. Степень токсичности исследуемой пробы определяют в условных единицах по разности (ΔI) концентрации клеток тест-культуры в контролируемой зоне контрольной (I_k) и опытной (I_ОП) кювет, т.е. ΔI = I_к - I_оп [2].
Однако данный способ имеет ряд недостатков. Во-первых, он базируется на использовании явления положительного хемотаксиса, т.е. направленного перемещения клеток тест-культуры, расположенной в нижней части вертикально установленной кюветы, в токсичную пробу, что противоестественно природе живых организмов, поэтому их движение в верхнюю зону кювет вызвано лишь естественными природными таксисами (положительным аэротаксисом и отрицательным геотаксисом), нарушаемыми токсикантом. По причине естественного нежелания перемещаться в токсичную среду клетки используют любую возможность удовлетворить свои потребности в кислороде, находясь в нижней части кюветы. Это достигается, в частности, путем концентрации клеток вокруг пузырьков воздуха, наличие которых при заполнении кюветы взвесью клеток неизбежно, а содержание не поддается учету. Все это приводит к тому, что тест-реакция может быть неадекватной токсичности исследуемой пробы и опыты могут иметь низкую воспроизводимость. Кроме того, необходимость применения двух кювет (опытной и контрольной) исключает возможность получения взвесей тест-культуры в них абсолютно идентичными, т. е. с абсолютной одинаковой концентрацией клеток, что снижает достоверность и точность оценки токсичности исследуемой пробы. Проиллюстрируем это утверждение следующим примером. Допустим, что в одну из токсичных сред (X₁) выходит 50% клеток, а в другую (X₂) - только 30%, т.е. вторая среда заведомо токсичнее первой. При этом исходное число клеток в кювете с первой из сред равно 1400, со второй - 3000, а исходное число клеток в контрольных кюветах соответственно равно 2000 и 2600.

Отсюда

Таким образом, неизбежное неравенство клеток в опытной и контрольной кюветах может привести к абсурдному выводу о том, что первая из сред токсичнее второй, поскольку ΔI(x₂) > ΔI(x₁). По тем же причинам даже заведомо нетоксичная контрольная среда может быть отнесена к разряду токсичных.

Изобретение позволяет повысить надежность, достоверность и воспроизводимость определения токсичности химических веществ в водной среде.

Решение поставленной задачи достигается воздействием пробой химического на взвесь клеток тест-культуры, например Paramecium Caudatum, с последующим контролем фотометрическим методом изменений в тест-культуре.

Предложенный способ отличается от прототипа тем, что токсичность химического вещества оценивают по степени снижения S_A двигательной активности клеток тест-культуры в присутствии токсиканта по сравнению с их двигательной активностью в исходной взвеси из выражения K_T=C_T/S_A, где K_T - коэффициент токсичности химического вещества, C_T - концентрация токсиканта во взвеси клеток тест-культуры.

На фиг. 1 представлена структурная схема установки для реализации способа; на фиг. 2 - график зависимости степени снижения двигательной активности тест-объекта S_A (%) от концентрации химических агентов C_T (мг/л): для кремнийорганической жидкости (ГКЖ-10)-график 1, для каустической соды (NaOH) - график 2, для сульфонола (НП-1)-график 3.

Установка содержит источник излучения 1, световой поток от которого проходит через фотометрическую кювету 2 со взвесью тест-культуры 3 и попадает в фотоприемники 4, которые связаны с фотометрическим преобразователем 5, электрический сигнал от которого поступает в измерительно-контролирующее устройство 6.

Пример осуществления способа. В качестве тест-культуры использована инфузория туфельки (Paramecium Caudatum). Перед проведением опыта по определению токсичности химического вещества выращенную тест-культуру отмывают от корма, продуктов метаболизма, доводят ее концентрацию до 1200-2000 клеток/мл и 1,2 мл культуры 3 помещают в кювету 2 из оптического стекла. Кювету 2 устанавливают в пространство между источниками излучения 1 и фотоприемниками 4. Включает источник излучения 1, который создает импульсный монохроматический световой поток. При пересечении движущимися клетками тест-культуры световых лучей, идущих через кювету 2 со взвесью клеток 3 к фотоприемникам 4, происходит регистрация числа этих пересечений за определенный промежуток времени с выводом полученных данных на индикатор измерительно-контролирующего устройства 6 (в условиях единицах).

В качестве тест-реакции использовано изменение двигательной активности клеток тест-культуры 3 при изменении токсичности среды. В виде контрольной среды использована исходная взвесь клеток тест-культуры 3. После определения указанным способом числа пересечений движущимися клетками световых лучей в тест-культуру 3 вводят исследуемый токсикант объемом 0,05 мл и вновь замеряют число пересечений движущимися клетками тест-культуры световых лучей. Величину токсичности исследуемого химического вещества оценивают из выражения
K_T = C_T/S_A,
где
K_T - коэффициент токсичности химического вещества;
C_T - концентрация токсиканта во взвеси клеток тест-объекта, мг/л;
S_A - степень снижения двигательной активности тест-объекта, %;
S_A = (1 - П_Т / П_К) • 100,
где
П_К - средние для серии опытов контрольные показания измерительного устройства для исходной взвеси клеток тест-культуры, усл. ед;
П_Т - средние для серии опытов контрольные показания измерительного устройства при введении в исходную взвесь клеток тест-культуры токсиканта, усл. ед.

Проводят 3-5 токсикологических испытаний одной и той же среды, по результатам которых делают отбраковку выделяющихся значений S_A методами математической статистики, задавшись определенной доверительной вероятностью (0,9; 0,95). Все испытания проводят в идентичных температурах и других условиях.

Предлагаемый способ реализован с использованием специализированного импульсного фотометра "Биотестер-2" (ТУ 401-51-005-91) при исследовании токсичности химических реагентов, применяемых для регулирования технологических параметров буровых растворов. Среднее время определения токсичности одного вещества составляет порядка 30 мин. Результаты испытаний приведены в табл. 1, 2.

Установлено (табл. 1), что степень снижения двигательной активности клеток тест-культуры зависит от концентрации токсиканта, причем эта зависимость имеет ярко выраженный линейный характер для различных химических веществ и выходит из начала координат (фиг.2), что и предопределило возможность применения K_T в качестве показателя токсичности различных сред. Средняя погрешность аппроксимации (G) экспериментальных данных линейной моделью C_T = K_T • S_A не превышает 7% (табл. 1). При этом концентрацию токсиканта желательно выбирать такой, чтобы значения S_A находились в пределах 20 - 80%. При S_A, меньшей 20% и большей 80%, возможно искажение результатов из-за явлений, обусловленных соответственно стимуляцией двигательной активности либо их плазмолизом клеток тест-культуры.

В табл. 2 приведены результаты испытаний ряда реагентов предложенным способом и их нормированные государством значения предельно допустимых концентраций (ПДК).

Анализ данных, приведенных в табл. 2, позволяет сделать следующие выводы:
- разработанная экспресс-методика приборного токсикологического биотестирования обеспечивает достаточно высокую сходимость результатов повторных серий опытов и тем самым высокую достоверность и надежность оценки коэффициента токсичности K_T испытуемых жидких сред;
- последовательность ряда значений K_T практически полностью соответствует той же последовательности ряда нормированных государством значений ПДК исследованных реагентов, что свидетельствует о реальной возможности использования разработанного биотеста для оперативного нормирования ПДК как отдельных химических веществ, так и сложных их смесей (композиций).

Сущность: способ предназначен для осуществления природоохранных мероприятий, в том числе для регулирования сброса в окружающую среду поверхностных стоков и сточных вод промышленных предприятий , например буровых растворов; для оценки токсичности вновь синтезированных химических веществ и пр. Пробой химического вещества воздействуют на взвесь клеток тест-культуры Paramecium Caudatum с последующим контролем изменений в тест -культуре фотометрическим методом. Токсичность химического вещества оценивают по степени снижения S_A двигательной активности пробы взвеси клеток тест-культуры в присутствии токсиканта по сравнению с их двигательной активностью в исходной (контрольной) взвеси из выражения К_т = C_т/S_A , где К_т- коэффициент токсичности химического вещества; С_т - концентрация токсиканта во взвеси клеток тест-культуры в опытной пробе. Контролируют степень снижения двигательной активности клеток тест-культуры из выражения S_A = ( 1-П_т/П_к) • 100, где П_к - средние для серии опытов контрольные показания измерительного устройства для исходной (контрольной ) пробы, усл. ед.; П_т - средние для серии опытов контрольные показания измерительного устройства при введении в исходную пробу химического вещества, усл. ед. Способ позволяет повысить надежность, достоверность и воспроизводимость определения токсичности химических веществ в водной среде. 2 табл., 2 ил.

Способ определения токсичности химических веществ в водной среде, заключающийся в приготовлении пробы взвеси клеток тест-культуры Paramecium Caudatum и воздействие химического вещества на данную пробу с последующим контролем изменений в тест-культуре фотометрическим методом, отличающийся тем, что предварительно контролируют степень снижения двигательной активности S_А клеток тест-культуры из выражения
S_А = (1 - П_т / П_к) • 100,
где П_к - средние для серии опытов контрольные показания измерительного устройства для исходной (контрольной) пробы, усл.ед.;
П_т - средние для серии опытов контрольные показания измерительного устройства при введении в исходную пробу химического вещества, усл.ед.,
и по полученному результату оценивают коэффициент токсичности химического вещества из выражения
K_т = C_т / S_А,
где C_т - концентрация химического вещества в опытной пробе.