Введение к работе
Актуальность темы. Природная вода - часть сложной системы единого биологического комплекса Земли. По мере усиления хочяйственного использования водных ресурсов все острее ставится проблема сохранения водного объекта как экосистемы в целом, а следовательно и разработка таких критериев и показателей, которые бы позволяли оценивать качество природной водной среды с позиции ее экологического благополучия. При таком подходе предметом наблюдения и контроля становится не только содержание в воде того или иного ингредиента, а возможность оценки водного объекта как среды, в которой обеспечено "нормальное функционирование и воспроизведение основных звеньев" его экологической системы (Правила охраны вод, 1991).
Фундаментальным для жизнедеятельности биологических систем является биохимический цикл кислорода, в результате которого образуются промежуточные активные частицы (АЧ), такие как синглетный кислород (V/>), супероксидный (О/) и гидроксильный (ОН) радикалы и др. (Д.И.Метелица, 1982; И.Фридович, 1979).
В глобальном круговороте вещества и энергии в окружающей среде определяющую роль играет солнечный свет, который участвует не только в процессе фотосинтеза, протекающего с образованием молекулярного кислорода, но и в осуществлении внутриводоемных каталитических и фотохимических окислительно-восстановительных процессов. В результате образуются те же промежуточные активные частицы кислорода, из которых наиболее химически и биологически очень активными являются синглетный кислород и гидроксильные радикалы (O.C.Zafiriou, 1981; Z.Hoigne, 1979). Эти частицы могут оказывать большое влияние на самоочищающую способность и биологическое качество природной воды, как среды обитания водных организмов. Содержание ](?2 и ОН в природной воде как и в любой кислородзависимой биологической системе должно быть строго физиологически обусловлено (Л.Д.Лукьянова с соавт., 1982). Поэтому разработка методов и технических средств для определения концентрации и
реакционной способности Ул и ОН, а также способов оценки их влияния на биологическое качество водной среды является крайне актуальным для целей и задач экологического гидромониторинга.
Относительный вклад \)г и ОН в процессы самоочищения определяется величиной эффективных констант скорости взаимодействия этих частиц с компонентами природных вод. Такого рода показатели, которые позволяют характеризовать природную водную среду как реакционную систему, называют кинетическими показателями. Влияние содержания АЧ на биологическое качество воды можно оценить с помощью методов биотестирования, используя специальные тест-системы.
Цель и задачи работы. Цель работы - изучение эффективности использования комплексных кинетических и токсикологических показателей для оценки экологического состояния природных вод, как среды обитания водных организмов, и выявления степени влияния на них антропогенной нагрузки.
В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:
- разработка новых комплексных кинетических показателей качества
природной водной среды и технических средств для их определения;
- разработка нового метода биотестирования природной водной среды;
- оценка чувствительности и информативности новых показателей при
анализе экологического состояния водных экосистем;
- апробация разработанных методов и показателей состава и свойств водной
среды на природных водных объектах разного типа, подверженных
различной степени антропогенной нагрузки.
Научная новизна работы заключается в разработке и практическом обосновании использования новых методов и показателей для оценки экотоксикологического состояния природных водных объектов. Основные результаты работы следующие:
впервые разработан кинетический метод определения в природной воде стационарной концентрации синглетного кислорода;
усовершенствован кинетический метод определения в природной воде стационарной концентрации гидроксильных радикалов;
разработана новая методика определения самоочищающей способности природной воды за счет активных частиц;
разработан новый метод биотестирования природных и сточных вод, основанный на использовании в качестве тест-системы реакции перекисного окисления липидов липосом (ПОЛ);
установлены критерии оценки загрязнения водной среды по величине антиокислительной способности природной воды в отношении (7//-радикалов и синглетного кислорода;
для определения разработанных кинетических показателей и проведения фотохимических исследований в лабораторных условиях создана оригинальная фотохимическая установка карусельного типа с ксеноновой лампой ДКсШ-150 в качестве источника УФ-излучения;
- впервые определены константы скорости взаимодействия синглетного
кислорода и (Ж-радикалов с рядом органических и неорганических
загрязняющих веществ антропогенного происхождения;
- в ходе апробации и проверки информативности разработанных показателей
на природных водных объектах различного типа установлено, что по
величине кинетических и токсикологических показателей можно оценить
масштабы влияния антропогенной нагрузки на биологическое качество
природной воды и рассчитать самоочищающую способность водной среды за
счет активных частиц.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
новые методы определения в природной воде сверхнизких концентраций продуктов активации биохимического цикла кислорода, таких как синглетный кислород и гидроксильные радикалы;
новый метод биотестирования природных вод с использованием в качестве тест-системы реакции перекисного окисления липидов липосом;
результаты апробации разработанных показателей на природных водных объектах разного типа с различной степенью антропогенной нагрузки;
- новая система критериев и классификация экологического состояния
природных вод на основе разработанных кинетических и токсикологического
показателей.
Практическая значимость работы. Разработанные методики определения комплексных кинетических показателей качества природных вод легли в основу Руководящего документа (РД 52.18.24.83), определяющего порядок выполнения измерений, проведения наблюдений и контроля за качеством природных и сточных вод и классификацию экологического состояния природных водных объектов по содержанию и внутригодовой динамике реакционноспособных продуктов активации кислорода. Руководящий документ рекомендован Росгидрометом для использования в гидрохимических лабораториях, в научно-исследовательской и учебной практике.
Разработанная методика биотестирования природных вод легла в основу Руководящего документа, который в настоящее время проходит метрологическую аттестацию.
Для определения кинетических показателей создана действующая модель карусельной фотохимической установки с источником УФ-излучения -лампой ДКсШ-150.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на III Международной школе по экологической химии водной среды (Алма-Ата, 1990), Научном семинаре "Экология АЭС" (Одесса, 1991), Международном симпозиуме "Гидрохимия, 1993" (Ростов-на-Дону, 1993), II научно-практической конференции "Человек в зеркале современной географии" (Смг тенек, 1996), XVIII Конференции придунайских стран по гидрологическим прогнозам и гидрологическим основам водного хозяйства (Грац, Австрия, 1996-)
Публикация результатов. Результаты диссертации опубликованы в 19
научных работах. ,
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора (глава 1), трех экспериментальных глав (глава 2-4), выводов, списка литературы. Работа изложена на 235 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков и 28 таблиц. Список литературы состоит из 216 источников, из них 91 зарубежный.