Способ определения токсичности водных сред Советский патент 1987 года по МПК G01N33/18 C02F3/34 

к биологи- а именно к

Изобретение относится ческому мониторингу вод, биологическим способам количественно оценки загрязнения вод, и может быть использовано в санитарной гидробиологии, водной токсикологии и при медико-биологических исследованиях.

Цель изобретения - повышение чувсвительности и точности способа.

Способ осуществляют следующим образом.

Осуществляют предварительную адаптацию гидробионтов к условиям содержания, предварительную калибровку степени чувствительности и устойчивости гидробионтов к эталонному токсиканту, производят тестовое воздействие исследуемой на токсичность водной средой. Нагретой до комнатной температуры к хорошо проаэрированной но не подвергаемой разбавлением. В течение нескольких часов с момента начала тест-воздействия определяют изменения во времени величин показателей таких характеристик, как интенсивность расходования энергии гидро- бионтами (в том числе двигательная активность или интенсивность потребления кислорода гидробионтами) и ре- зистентность или устойчивость гидробионтов к повреждающим воздействиям (в том числе термоустойчивость гидробионтов),

, Обеспечивают постоянство внешних (физических) условий, выявляют время появления экстремумов значений показателей и относительную величину экстремумов значений показателей и , оценивают степень токсичности водных сред в долях от величины ЛС и ПДК эталонного токсиканта, дающей тот же токсический эффект, путем нахождения на калибровочных кривых концентраций эталонного токсиканта, соответствующих времени появления экстремумов величин показателей и относительной величине значений экстремумов показателей

При этом под ЛСо5 понимается концентрация токсических веществ, при которой гибнет 5% особей гидробионтов, подвергнутых тест-воздействию в течение 24 ч, а под ПДК понимается предельно допустимая концентрация токсического вещества (рыбохозяйст- венные или иные нормы).

Определение двигательной а стивно- сти производят: у брюхоногих моллюсков - по числу особей (в % от общего количества), переместившихся в среднем за 10 мин (5 мин) наблюдения в данной зоне сосуда (со дна сосуда на его стенки или с поверхности вбды в сосуде вниз по стенкам сосуда) , у рыб - по числу особей (в %), не касающихся брющком или плавника0 ми дна сосуда (т.е. не садящихся на дно), у речных раков - по длительно-, сти периодов их передвижений по от- нощению ко всей длительности отрезков времени, когда, осуществляется наблю5 дение.

Определение интенсивности потребления, кислорода гидробионтами прбиз- водят, выдерживая их в изолированшзгх от воздуха сосудах с водными средами

0 (обычно проточных), замеряя содержание кислорода в водной среде, входящей в сосуды и выходящей их сосудов, определяя разность между полученными величинами и производя деление этой

5 разности на время полного водообмена в сосудах о

Определение теркоустойчивости гидробионтов производится с помощью дополнительньк (функпиональных) на0 грузок высокими температурами: через каждые 15 (или иное количество)-мин вьшимают часть испытуемых особей гидробионтов из исследуемой на токсичность водной среды и покеиают не кратg кое время (3-15 мик в зависимости от вида организмов) в чистую горячую воду определенной температуры (39-42 С), затем гидробионтов помещают в отдельные сосуды с чистой водой комнатной

0 температуры, в которых определяют выживаемость гидробионтов (или количество особей, вьщзедших из состояния оцепенения) через 20 мин, или 1,5 ч, или 24 ч после начггла нанесения им

5 дополнительного термического воздействия.

Определение величины токсичности Т„„ производится по следующим формуох

лам

50

ох

С К X ЛС,

с

9Г

5

охЛСго Т

К, X ЛС

05

ох

к.

X ГЩК,

где С, - концентрация эталонного

токсиканта (обычно CuS04 ) ;:

K.fe иK

лс,

OS

ПДК

Of ЭТ о ЛС50

TO ПАК

и

коэффициенты пропорциональности ;

соответственно токсичность по эталонному токсиканту по величине ЛСдд и по ПДК для эталонного токсиканта Определение интенсивности потреб- ления кислорода гидробионтами и двигательной активности гидробионтов может проводиться автоматически и полуавтоматически с помощью известных технических средств и приборов.

Установлено, что у рыб, моллюсков ракообразных и.высших водных растений в ответ на внезапное воздействие в том числе и на появление в среде различных химических веществ, проявляется единообразная неспецифическая приспособительная (адаптационна реакция, заключающаяся в достаточно резком и почти синхронном.изменении величин таких показателей, как интенсивность потребления кислорода, двигательная активность и термоустойчивость.

Установлено, что у рыб, моллюсков и высших растений каждой определенной силе повреждающего воздействия (или концентрации одного и того же токсиканта) соответствует единствен- ньш период времени (считая с момента начала повреждающего воздействия), когда появляется характерный максимум величины регистрируемого показателя. Это дает возможность использовать в большинстве случаев данную зависимость для строгого определения величины токсичности с помощью калибровочных кривых.

Для слабых, средних и сильных воздействий (кроме сверхсильных) характерно, что определенной силе воздействия (и концентрации токсиканта) соответствует единственное значение относительной величины регистрируемого показателя в момент его миниьгума, что дает возможность использовать и эту зависимость для определения величины токсичности. Использование для определения токсичности сразу нескольких показателей и зависимостей одновременно увеличивает точность и надежность этого определения.

Сходство реакций водных животных . и высщизс водных растений на появле- йие в водной среде токсиканта дока- , зывает возможность значительного расширения видового состава гидробионтов, используемых в способе определения токсичности водных сред. В экспе- римента с используют -рыб Lebistes геticulates, речных раков Astacus lep- todactilus, брюхоногих моллюсков Coretus.corneus, двустворчатых, моллюсков Dreissena polymorpha, высших водных растений Vallisneria spiralis,

содержащихся в темноте, микроорганизмы, аквариумного ила, сообщество моллюсков Coretus .corneus и растений Vallisneria spiratis

На фиг. . I и 2 изображены кривые

зависимостей интенсивности потребления кислорода в момент появления характерного минимума регистрируемого показателя, т.е. первого минимума от момента начала повреждающего воздействия (штрихпунктирные линии),

времени появления характерного максимума интенсивности потребления кислорода, т.е. первого слева максимума или центрального максимума у моллюсков (сплошные линии), времени появления характерного минимума интенсивности потребления кислорода (пунктирные линии), времени появления характерного максимума двигательной

активности (сплошные линии с крестами) , времени появления минимума ре- зистентности (линии в виде точек) от от концентрации токсического вещества у высших растений Vallisneria spiralis, рыб Lebistes reticulates, брюхоногих моллюсков Coretus corneus, брюхоногих моллюсков Viviparus vivi- parus.

Пример 1. Проводят установление величины токсичности водной г среды, содержащей неизвестное количество ионов в растворе, при использовании в качестве организмов брюхоногих моллюсков вида Viviparus

Viviparus, а в качестве показателей - величины двигательной активности и величины резистентности.

За три недели до проведения анализа качества воды проводят серию

опытов с токсикантом CuSO и строят калибровочные кривые, связывающие концентрацию ионов Си с временем появления максимума двигательной активности и минимума резистентности

у данных моллюсков (фиг. 2в)„ За 0,5 ч до анализа собирают 90 моллюсков в 10-литровый сосуд с чистой аквариумной водой комнатной температуры и с высоким содержанием кислорода. Наливают в 18 одинаковых стаканов по 200 МП исследуемой на токсичность жидкос,ти и затем одновременно во все стаканы опускают по 5 моллюсков, взятых из десятилитрового ; сосуда. Сразу же после этого определяют двигательную активность моллюсков в трех первых стаканах в первые 10 мин.

После определения двигательной активности моллюсков из трех первых стаканов помешают в чистую воду с температурой 40 С, где вьщерживак1Т в течение 15 мин, а затем переносят в те же стаканы, но уже с чистой водой комнатной температуры Аналогичные операции проделывают с каждой последующей партией моллюсков из трех следующих стаканов, при этом перед определением двигательной активности моллюсков смещают осторожным прикосновением стеклянной палочкой на дной стаканов

Через 3 ч после начала анализа, строят кривую зависимости время от начала перемешения моллюсков в исслеуемую водную среду - двигательная активность моллюсков и находят на ней момент времени, когда появляется максимум двигательной активности моллюсков. По графику калибровочных кривых (фиг. 2в) ,,находят по этому времени концентрацию эталонного токсиканта - иона Си в растворе соли CuSO , еоответствующуто тому же токсическому эффекту, который производит исследуемая водная среда (0,06 мг/л), Затем рассчитьгоают искогхгую величину токсичности, определяемую по двигательной активности моллюсков, по следующим формулам

ох 5Т

0,06 МГ/Л Си

++

++

о,06 мг/л X ДЦК „ 50

.пдк

-f-f

60 ш:1К;

мг/л X пдк ОТСЮГ мг/л ПДК 0,00 мг/л ,

По истечении 24 ч (можно и 1,5 ч1 после начала термического воздействия

5

0

5

5

0

5

0

на моллюсков определяют резистент- ность моллюсков к моменту термического воздействия по величине их выжи-. ваемости. Затем строят график зави- симости время от начала помещения моллюсков в исследуемую водную среду - величина резистентности моллюсков и выявляют на этой кривой момент появления минимума резистентно- 0 сти. По калибровочным кривым

(фиг. 2в) находят по этому времени концентрацию иона Си , дающую искомый токсический эффект.

Результаты определения токсичности по двигательной активности моллюсков в данном случае совпадают с результатами определения токсичности по резистентности моллюсков, но от момента доставки водной среды на анализ до получения результата проходит в случае использования в качестве показателя величины двигательной активности 4ч, а в случае использования в качестве показателя величины резистентности 27 ч.

Пример 2. Установление величины токсичности водной среды, взятой из реки, I

За три недели до проведения анализа строят калибровочные кривые кон; центрация ионов Си. - время появления максимумов потребления кислорода и концентрация ионов Си - относительная величина данных sKcrpeNryMOB для используемых Е тестировании брю- хоногих моллюсков вида Coretus corne- us. За 24 ч до начала анализа в закрытом отапливаемом помещении при 21°С в проточный стеклянный сосуд емкостью 230 мл помещают 30 см чистого гравия, взятого из грунта аквариума, и шесть моллюсков с размерами раковины 15-20 мм.

Доставленную на исследование воду реки в количестве 6 л нагревают до комнатной температуры (21 с) с помощью аквариумных нагревателей и поднимают содержание кислорода до 100%-нога насьш1ения с помощью aквapиy 5 :l;ч аэраторов. Через 3 ч после .. воды из реки подготовленная проба подается в сосуд с моллюсками. Через каждые 20 мин определяют содержание кислорода в воде, выходящей из сосуда с моллюсками, и через каждый час - в воде, входящей в сосуд с моллюсками. Замеры содержания кислорода продолжают в течение 4,5 ч.

0

/

По потгученным. данным определяют интенсивность потребления кислорода моллюсками в моменты замеров путем вычисления разности между содержанием кислорода в воде, входящей и выходящей из данного сосуда. Строят график время от начала опыта - интенсивность потребления кислорода и находят на нем время появления максимума показателя (считая от момента начала воздействия исследуемой водной средой на моллюсков).

По графикам двух калибровочных кривых, приводящих к одинаковому результату (фиг. 2а), находят концентрацию эталонного токсиканта - иона Си, дающую тот же токсический эффект, что и вода реки при коротком времени экспозиции. Затем рассчитывают величину токсичности водной среды по. следующим формулам

ох Си 0,051 мг/л Си

++

ох ПДК

0,051 мг/л Си X ЦЦК

ПДК

мг/л Си- X ПДК 51ХПДК: 0,001 мг/л Си

30 основе зависимости концентрация - относительная интенсивность потребления кислорода в момент минимума

ох ЛСо5

0,051 мг/л Си X ЛСру (фиг. 1в)о Согласно этой калибровочЛС

05

ной кривой концентрация эталонного 35 токсиканта - ионов Си, соответствующая искомой токсичности, больще 1 мг/л

f+

мг/л Cu X ЛСру 0,32 мг/л Си++

0,16 X ЛС

OS

где ЛСо5 0,32,мг/л ПДК 0,001 мг/л Си++. .

От момента доставки водной среды на анализ до получения результата при определении содержания кислорода в воде по методу В.инклера проходит 8 ч, что соответствует 3-4 ч времени затраченного на тестирование при автоматическом или полуавтоматическом Определении содержания кислорода в воде с помощью общеизвестных электрохимических кислородометров.

Определение показывает, что токсичность водной среды, взятой из реки не является острой, так как через 24 ч гибели особей тест-объекта не наблюдается (Тоу ) . Однако ток287568

сичность достаточно велика, чтобы вызвать у некоторых гидробионтов отрицательные изменения, так как ПДК превышаются (Т, ДЦК).

Пример 3. Проводят установление токсичности раствора хлорофоса неизвестной концентрации для рыб вида ЬеЪ1з1е8 reticulates. При этом из0 вестно, что пестициды, к которым от носится хлорофос, часто не обнаруживаются гидробионтами вообще.

Построение калибровочных кривых, адаптацию рыб, подготовку водной сре15 ды к тестированию и другие операции проводят по примеру 2, но пропуск раствора хлорофоса через сосуд с рыбами проводят только в течение одного часа и кроме интенсивности потреб0 ления кислорода рыбами определяют и двигательную активность рыб.

Анализ полученного при тестировании материала показьгеает, что реакция рыб на появление в воде пестици25 да извращена в том смысле, что проявляется с запаздыванием. Поэтому в случае наличия в воде пестицидов необходимо определение токсичности только по калибровочным кривым на

30 основе зависимости концентрация - относительная интенсивность потребления кислорода в момент минимума

(фиг. 1в)о Согласно этой калибровочной кривой концентрация эталонного токсиканта - ионов Си, соответствующая искомой токсичности, больще 1 мг/л

TOXCO мг/л

40

1 мг/л Си+ X ПДК окпдк ДЦК

1 мг/л Си++ X ПДК .

0,001 мг/л Си

++

000 ПДКо

4Б

Поскольку интенсивность потребления кислорода рыбами при исследовании токсичности водной среды тесно связана с их двигательной активностью 0 (ранговый коэффициент корреляции между величинами показателей равен +0,829 при р ,05), определение токсичности в данном примере возможно по любому из этих показателей

Затраты времени на тестирование водной среды в данном примере равны 6 ч при определении содержания кислорода в воде по методу Винклера, что соответствует 1,5-2 ч при автомати5

9

ческом определении содержания кислорода в воде.

Пример 4о Проводят установление величины токсичности раствора NaHl неизвестной концентрации для сообщества из высших растений вида Vallisnerla spireilis и брюхоногих моллюсков вида Coretus corneus, содержащихся в темноте, когда растения прекращают фотосинтез.

Построение калибровочных кривых отдельно для каждого вида гидробион- тов и другие операции проводят так ж как и в примере 2.

Анализ полученного материала показывает, что второй по счету максимум интенсивности потребления кислорода сообществом соответствует характерно му максимуму. Характерный максимум интенсивности потребления кислорода растениями накладывается в данном с случае на первьй минимум интенсивности потребления кислорода моллюсками Согласно калибровочным кривым (фиг. 2а) токсичность водной среды для моллюсков равна

Тохси ч-

ох ПАК

0,03 мг/л X ПДК

1ЩК

0,03 мГ/л

30 ПДК.

0,001 мг/л Си

++

Токсичность водной среды для растений определяется по другому эталонному токсиканту NaCl. При этом ЦЦК по NaCl неизвестно, но ПДК по иону Na равна 120 мг/л. Ион Na составляет в соли NaCl приблизительно 40%, откуда токсичность по иону Na для растений, если искомая концентрация tNaCl 2500 мг/л, по калибровочным

кривым

0,4 X 2500 мг/л 1000 мг/л

1000 мг/л На. X ЦДК ПДК

1000 мг/л Na- X ПДК ПДК{На7

120 мг/л Na

Предлагаемый способ по сравнению с известным обеспечивает следующие

56

10

преимущества: получение возможности комплексного определения токсичности одним, а не несколькими разными способами, производимого по различным показателям разных неродственных видов организмов (рыб, моллюсков, выс- щих водных растений и т.д„); увеличение чувствительности способа во

столько раз, во сколько величина ЛС

OS

больше минимальных регистрируемых предлагаемьм способом концентраций для самого чувствительного из всех одновременно применяемых тест-объектов (т.е., не менее чем в 20 раз для брюхоногих моллюсков), что позволяет оценивать токсичность водных сред подавляющего большинства водоемов; увеличение токсичности и надежности способа пропорционально количеству одновременно используемых зависимостей и показателей (т.е. в несколько раз) ; получение возможности полностью автоматического определения величины токсичности водных сред естественных водоемов и сбросов различных предприятий за 2-4 ч и менее при использовании известных приборов для автоматического определения со- держания кислорода в воде и двигательной активности гидробионтов..

Формула изобретения

1 о Способ определения токсичности водньпс сред, включающий предваритель- 1ную адаптацию гидробионтов к условиям содержания в чистой водной среде и калибровку степени чувствительности и устойчивости гидробионтов к эталонному токсиканту, отличающийся тем, что, с целью по- вьштения чувствительности и точности способа, строят калибровочные кривые зависимости концентрации эталонного токсиканта от времени появления экстремумов показателей гидробионтов и относительной величины этих экстремумов, исследуемую водную среду кагревают и аэрируют до получения --чачений температуры и концентрации к;- -.: ;...фода в ней, соответствующих тем, к которым ранее адаптировались гидробионты, затем заменяют чистую водную среду

в сосудах с гидробйонтами на исследуемую водную среду, регистрируют изменение во времени величин показателей у гидробионтов в исследуемой водной среде, определяют время появления -

экстремумов показателей или относительную величину этих экстремумов, затем определяют на калибровочных кривых концентрацию эталонного токсиканта, соответствующую времени появления экстремумов покаэателей гидр бионтов, находящихся в исследуемой водной среде, или относительной величине этих экстремумов. .

2о Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве гидробионтов используют рыб, моллюс 5

тч

WI

0,5

о

iO

0,5{

О

41h

0,5

1

+

Концентрация иона Си,ма//

4--Н1-Н

2

Концентрация аС1,г/л

Фиг.1

высшие водные раков, речных раков, стения.

3. Способ попп. 1и2, отличающийся тем, что используют один вид гидробионтов или смесь их.

А. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве регистрируемого показателя используют или двигательную активность гидроби- онта, или интенсивность потребления кислорода гидробйонтами, или их термоустойчивость .

+

,м

Изобретение относится к биологическим способам количественной оценки загрязнения вод и может быть использовано в санитарной гидробиологии, водной токсикологии и при ме;дако-би- ологических исследованиях. Целью изобретения является повьшение чувствительности и точности способа. Способ . состоит в том, что предварительно адаптируют гидробиоиты к условиям содержания в чистой водной среде, строят калибровочные кривые- зависимости концентрации эталонного токсиканта от времени появления экстремумов показателей гидробионтов и отно- сительной величины этих экстремумов, исследуемую водную среду нагревают . и аэрируют до получения значения температуры и концентрации: кислорода в ней, соответствующих тем, к которым ранее адаптировались гидробионты. Затем заменяют чистую водную среду в сосудах с гидробионтами на исследуемую водную среду, регистрируют изменение во времени величин показателей у гидробионтов в исследуемой водной среде, определяют время появления экстремумов показателей или относительную величину этих экстремумов. После этого определяют на калибровочных кривых концентрацию эталонного токсиканта, соответствующую времени появления экстремумов показателей гидробионтов, находящихся в исследуемой водной среде, или относительной величине этих экстремумов, В качестве гидробионтов используют рыб, моллюсков , речных раков, высшие водные растения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. с (Л со to 00 СП о: