Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
1.1. Современное представление о биомониторинге, как составной части экологического мониторинга 9
1.1.1. Биоиидикация в системе контроля за состоянием окружающей природной среды 16
1.1.2. Особенности биотестирования, как компонента в системе контроля за состоянием окружающей природной среды 25
1.2, Обзор современных методик биотестирования 31
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 44
2.1. Методы экологических исследований объектов окружающей среды территории Сургутского района 44
2.2. Методика исследований спектральных характеристик культуры водоросли хлорелла 46
2.3. Методики исследований условий культивирования водоросли хлорелла 47
Глава 3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕСТ-ОБЪЕКТА CHLORELLA VULGARIS BEIJER 49
3.1 Исследования экологического состояния поверхностных вод 49
3.2 Результаты экологических исследований качества грунтовых вод 65
3.3 Изучение экологического состояния донных отложений 74
3.4 Результаты экологических исследований загрязнения почв 78
Глава 4. БИОТЕСТИРОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕСТ-ОБЪЕКТА CHLORELLA VULGARIS BETJER 86
4.1 Экологические исследования поверхностных вод физико-химическими методами и биотестированием с использованием тест - объекта Chlorella vulgaris Beijer 86
4.2 Спектральные характеристики культуры водоросли хлорелла 92
4.3 Изучение и выбор оптимальных условий культивирования одноклеточной водоросли хлорелла 95
4.4 Разработка процедуры и рекомендаций для ускоренного биотестирования с использованием тест - объекта Chlorella vulgaris Beijer 101
ВЫВОДЫ 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 108
- Современное представление о биомониторинге, как составной части экологического мониторинга
- Методы экологических исследований объектов окружающей среды территории Сургутского района
- Исследования экологического состояния поверхностных вод
Введение к работе
Актуальность работы. Главным фактором антропогенного воздействия человека на природные ландшафты северных территорий является интенсивно развивающаяся нефтегазовая промышленность. Результатом такого воздействия является выброс загрязняющих веществ в атмосферу при горении факелов, нарушение почвенного покрова при строительстве дорог, кустов скважин, загрязнение грунтовых и поверхностных вод при аварийных разливах нефти.
Традиционные оценки качества объектов окружающей среды (поверхностных и грунтовых вод, почвенного покрова, донных отложений) сводится к измерению содержания нефтепродуктов, тяжелых металлов, других токсичных веществ в исследуемых средах и сравнению результатов химического анализа с предельно допустимыми их концентрациями (ПДК) или исходным (фоновым) содержанием химических веществ аналогичных территорий, не испытывающих техногенную нагрузку.
ПДК установлены для ограниченного числа токсикантов, в то время как в реальных ситуациях приходится сталкиваться с несравненно большим числом загрязняющих ингредиентов. В результате химических реакций между различными веществами могут возникать новые комплексные соединения, для которых не установлены ПДК, отсутствуют методики и приборы для их определения. Кроме того, токсичность вновь образованных комплексов может значительно превышать токсичность исходных веществ. Таким образом, оценка качества исследуемых сред, основанная только на химических показателях, не может считаться достаточной.
Поэтому наряду с традиционными физико-химическими методами контроля экологической безопасности природных объектов, начинают широко использоваться методы биологического тестирования, позволяющие оценить всю совокупность свойств испытуемой среды с позиции восприятия ее живыми тест-объектами, выступающими в роли биодатчиков.
5 Биологические тест-методы являются интегральной характеристикой качества среды обитания человека, поскольку позволяют оценить суммарную степень воздействия загрязняющих веществ на живой организм тест-объекта и экстраполировать полученные результаты для оценки воздействия на человека [17,116,118].
Конечно, биотестирование не может заменить аналитические методы анализа, но как дополнение к ним является важным инструментом для получении полной и достоверной информации о степени загрязнения природной среды. Необходимость совместного использования физико-химических методов и биотестирования, как более объективной комплексной оценки экологического состояния природных комплексов нашла свое отражение в постановлении правительства Ханты-Мансийского автономного округа от 29 июля 2003г. № 302-П [127].
Согласно этому постановлению для определения степени загрязненности окружающей среды установлен перечень обязательных для исследований показателей, где наряду с параметрами, измеряемыми физико-химическими методами предусмотрено определение степени токсичности исследуемого объекта с помощью биотестирования.
Несмотря на существенный прогресс в решении этой проблемы ряд теоретических и практических вопросов остаются недостаточно изученными. В частности не изучена взаимосвязь между экоаналитическими данными загрязненности природных объектов полученных физико-химическими методами и с помощью биотестирования; не исследована степень влияния отдельных показателей на интегральную оценку токсичности; отсутствуют сведения о выборе оптимальных тест-объектов для проведения биотестирования в районах нефтедобычи. В этой связи исследование и совершенствование технологий экологического мониторинга с применением биотестирования является весьма актуальной проблемой.
Цель работы. Целью работы является проведение экологических исследований с применением биотестирования объектов природной среды в районах нефтедобычи. Задачи исследования
Исследовать экологическое состояние почв, донных отложений, поверхностных и грунтовых вод с использованием тест-объекта инфузория туфелька Paramecium caudatum.
Изучить возможности использования тест-объекта хлорелла Chlorella vulgaris Beijer для оценки экологической безопасности поверхностных вод в районах нефтедобычи.
Провести корреляционный анализ и установить взаимосвязь между информационными данными биотестирования и экоаналитического контроля объектов окружающей среды.
Выявить оптимальные условия культивирования тест-объекта Chlorella vulgaris Beijer для проведения анализов по биотестированию.
Разработать рекомендации для биотестирования водных сред с использованием тест - объекта Chlorella vulgaris Beijer.
Научная новизна работы. Впервые проведены экологические исследования объектов окружающей среды территорий нефтедобычи Сургутского района с использованием тест-объектов инфузория туфелька Paramecium caudatum и хлорелла Chlorella vulgaris Beijer. Установлена корреляция результатов биотестирования (тест-объект Paramecium caudatum) и данных физико-химических анализов экологического состояния почв, поверхностных и грунтовых вод. Доказана перспективность использования тест - объекта Chlorella vulgaris Beijer для биотестирования поверхностных вод в районах нефтедобычи. Выявлены оптимальные условия для проведения биотестирования водных объектов с применением тест - объекта Chlorella vulgaris Beijer.
7 Практическая значимость работы.
Разработаны и внедрены в практику «Методические рекомендации по проведению биотестирования поверхностных вод с использованием тест-объекта водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer)». Они предназначены для ученых, инженеров и специалистов по экоаналитическому мониторингу и контролю за состоянием объектов окружающей природной среды, сотрудников образовательных учреждений, занимающихся обучением по экологии и безопасности жизнедеятельности.
Результаты работы внедрили и используют ФГУ «Специализированная инспекция аналитического контроля по Ханты-Мансийскому автономному округу», «Учебный научно-аналитический центр» при Югорском госуниверситете, ГП Научно-производственный центр «Мониторинг».
Положения, выносимые на защиту:
При экологических исследованиях качества природных сред (почв, поверхностных и грунтовых вод) в районах нефтедобычи северных территорий целесообразно использование тест-объектов инфузория туфелька Paramecium caudatum и хлорелла Chlorella vulgaris Beijer.
При биотестировании поверхностных вод в районах нефтедобычи информативным тест-объектом является Chlorella vulgaris Beijer.
Подбор оптимальных параметров биотестирования с тест-объектом Chlorella vulgaris Beijer позволяет снизить длительность анализа.
Апробация работы. Материалы исследований доложены и обсуждены на международных и региональных конференциях:
Открытая окружная конференция в рамках акции «Спасти и сохранить» «Биоресурсы и природопользование в Ханты-Мансийском автономном округе; проблемы и решения» (Сургут - 2006),
Международная конференция «Проблемы биодеструкции техногенных загрязнителей окружающей среды» (Саратов - 2005),
Международная научная конференция «Оптимальные методы решения научных и практических задач» (Таганрог - 2005),
Международная научная конференция «Составляющие научно-технического прогресса» (Тамбов - 2005),
Международная научная конференция «Моделирование. Теория, методы и средства» (Новочеркасск - 2005),
Международная научно-техническая конференция «Современные информационные технологии - 2005» (Пенза - 2005),
XXV Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов ОАО «Сургутнефтегаз» (Сургут-2005),
Открытая окружная конференция молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут - 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе получен патент РФ на изобретение и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Список литературы включает 226 источников, из них 187 отечественных и 39 зарубежных. Объем диссертации составляет 131 страницу, в том числе 20 таблиц и 10 рисунков.
Современное представление о биомониторинге, как составной части экологического мониторинга
Главными источниками загрязнения природных комплексов являются промышленные предприятия, особенно предприятия нефтегазовой отрасли.
К числу наиболее опасных загрязняющих природную среду компонентов относятся тяжелые металлы, хлорорганические соединения, нефтепродукты [15, 21, 67].
Наиболее токсичными, опасными загрязнителями среди тяжелых металлов являются ртуть, свинец, кадмий. Эти металлы широко используются в промышленности и на транспорте [106, 194, 199]. Ионы РЬ, Hg, Со, Cd образуют прочные комплексы с аминокислотами и другими биомолекулами. Другой механизм токсического действия заключается в замене биометаллов в металлсодержащих биокомплексах, что вызывает потерю последними биологической активности [24, 33, 158, 215]. В случае ионов свинца, ртути, хрома, кадмия и других тяжелых металлов отмечена активация перекисного и свободнорадикалъного окисления[35, 175, 210, 213, 225).
Среди миллионов органических веществ, продуктов органического синтеза, отходов промышленного производства и применяемых в различных областях человеческой деятельности (от пестицидов до трансформаторных масел, от топлив до моющих средств) существует множество органических экотоксикантов [25, 68,188, 202, 208, 214, 218].
К числу экотоксикантов относятся и хлорированные фенолы, используемые как консерванты древесины, дезинфицирующие средства, полупродукты в синтезе различных пестицидов [55,191].
Нефтепродукты относятся к числу наиболее распространенных и опасных веществ [146]. Большие количества нефтепродуктов поступают в поверхностные воды и попадают в почву при перевозке нефти, со сточными водами предприятий нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, химической и других отраслей промышленности, с хозяйственно-бытовыми водами. Неблагоприятное воздействие нефтепродуктов сказывается различными способами на организме человека, животном мире, водной растительности, физическом, химическом и биологическом состоянии водоемов. Отрицательное влияние нефтепродуктов, особенно в концентрациях 0,001-10 мг/дм3, и присутствие их в виде пленки сказывается и на развитии высшей водной растительности и микрофитов [74-76].
Поэтому совершенствование методов и технологий оценки состояния окружающей среды (почвенного покрова, донных отложений, поверхностных и грунтовых вод, атмосферного воздуха) является одной из приоритетных задач охраны природы. Для каждого из перечисленных контролируемых объектов установлен перечень загрязняющих веществ (нефть и нефтепродукты, тяжелые металлы и др.), исследуемых в обязательном порядке [8]. Поскольку оценка качества природных сред приобретает в настоящее время жизненно важное значение, необходимо определять как реально существующую, так и возможную в будущем степень нарушения окружающей среды [28, 53, 71, 224, 226]. Для этого необходимо проведение следующих мероприятий:
а) текущий учет изменений в окружающей среде и предотвращение ухудшения качества среды;
б) прогноз изменений в окружающей среде и связанных с ними экологических последствий.
Эти мероприятия входят в систему экологического мониторинга. В широком понимании мониторинг - это слежение за каким-либо объектом или явлением. Под экологическим мониторингом в настоящее время понимают комплексную систему наблюдения, оценки и прогноза изменений в природной среде под влиянием антропогенных воздействий с целью предотвращения возникновения критических ситуаций [32]. Этапами этой оценки являются выбор показателей и характеристик объектов окружающей среды и их непосредственное измерение. Набор параметров должен отвечать на вопрос, каково состояние природной среды. Построение прогноза подразумевает знание закономерностей уровня загрязнения и состояния объектов природной среды, наличие соответствующих моделей и возможностей численного расчета.
Для ведения экологического мониторинга используют два принципиально разных подхода: физико-химический и биологический.
Традиционно оценка качества различных сред проводится по результатам измерения концентрации отдельных загрязняющих веществ в объектах окружающей среды - система эколого-аналитического контроля [79, 117, 206]. При этом критерием оценки качества исследуемой среды является соответствие величин измеренных концентраций нормированных показателей предельно допустимым концентрациям (ПДК) устанавливаемые гигиенистами для вод различного типа, почв и других объектов. Считается, что если на вещество установлена ПДК, должна быть методика определения этого вещества на уровне концентраций хотя бы в 2-5 раз ниже ПДК и, конечно, не выше ее. В настоящее время в России для вод разного типа нормируется приблизительно полторы тысячи веществ; это, как уже сказано, означает, что в распоряжении контрольных служб есть как минимум такое же число надежных методик, и все они в нужный момент и в нужном месте могут быть задействованы [119, 124].
Методы экологических исследований объектов окружающей среды территории Сургутского района
На первом этапе нами была проведена экологическая оценка фонового состояния водных объектов (природные поверхностные воды), почв и донных отложений на территории Сургутского района. Перечень компонентов, по которым оценивалось качество исследованных природных сред, взят в соответствии с методическими рекомендациями по применению требований к определению исходной (фоновой) загрязненности компонентов природной среды, проектированию и ведению системы экологического мониторинга в границах лицензионных участков недр на территории Ханты-Мансийского автономного округа [106]. Было проанализировано 219 проб поверхностной воды по 16 показателям и 71 проба по 12 показателям методами аналитической химии и биотестированием. Оценивались следующие показатели: кислотность воды (рН) определялась потенциометрическим методом по ПНДФ 14.1:2:3:4.121-97 [96]; взвешенные вещества (КВВ) и сухой остаток гравиметрическим методом по ПНД Ф 14.1:2.110-97 [94] и ПНД Ф 14.1:2.114-97 [91] соответственно; удельная электропроводность кондуктометрическим методом, по РД 52.24.495-95 [121]; БШС5 по ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 [86]; тяжелые металлы (цинк, марганец, хром, никель, железо общее, свинец) методом атомно-эмиссионной спектрометрии с ИСП по ПНД Ф 14.1:2:4.135-98 [88]; ионы аммония и фосфаты фотометрическим методом по ПНДФ 14.1:2.1-95 [87]иПНДФ 14.1:2.112-97 [93] соответственно; сульфаты турбидиметрическим методом по РД 52.24.405-95 [108]; хлорид-ионы аргентометрическим методом по ПНД Ф 14.1:2.96-97 [95]; СПАВ фотометрическим методом по ПНДФ 14.1:2.115 - 97 [89]; нефтепродукты ИК-спектрометрическим методом по ПНДФ 14.1:2.5-95 [90]; фенолы методом высокоэффективной жидкостной хроматографии по МВИ 2420/92-2001 [92]; фтор (F), жесткость, кальций (Са), гидрокарбонаты (НС03), нитриты (N02), нитраты (N03), магний (Mg), натрий и калий (Na+K), и суммарная минерализация определялись по аттестованным методикам [169]; токсичность методами биотестирования с использованием в качестве тест-объектов инфузорий - инфузория туфелька (Paramecium caudatum) по ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.2 [99] и одноклеточной водоросли хлореллы Chlorella vulgaris Beijer по ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04 16.1:2.3:3.7-04 [102]. Также было проанализировано 48 проб донных отложений по 10 показателям (нефтепродукты, рН, СГ, Fe, Pb, Zn, Mn, Hg, Cr, Ni) и 54 пробы почв по 13 показателям (нефтепродукты, Р04, Fe, Pb, Zn, Mn, Hg, Cr, гумус, CI", Ni, бензапирен, рН) по аттестованным методикам [170]. Токсичность методом биотестирования с использованием в качестве тест-объекта инфузорий - инфузория туфелька (Paramecium caudatum) по ПНД ФТ 16.2:2:2. [101]. Биотестирование для определения токсичности компонентов природной среды впервые было предложено на территории Ханты-Мансийского автономного округа в постановлении правительства ХМАО № 302-П от 29 июля 2003 года [130]. Пробы поверхностных и грунтовых вод, почв и донных отложений для исследований по анализируемым показателям отбирались по ГОСТ Р 51592 2000 [36], ГОСТ 17.1.5.05-85 [38], ГОСТ 17.4.4.02-84 [170]. Для отбора проб поверхностной воды использовались устройства в соответствии с требованиями ГОСТ 17,1.5.04-81 [39]. При проведении биотестирования с использованием одноклеточной водоросли хлореллы Chlorella vulgaris Beijer по ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04 16.1:2.3:3.7-04 транспортировка и хранение проб воды осуществлялись по ФР. 1.39.2001.00284 (ПНД Ф 14.1:2:3:4.9-02 16.1:2.3:3.6-02) [47]. Калибровка приборов и технических средств измерений токсичных примесей производилась по РМГ 54-2002 [136] и международному стандарту ISO 11095 [204] с применением разработанной нами «Программы линейной калибровки по набору стандартных образцов», на которую получено положительное решение на выдачу патента [122]. Статистическая обработка данных экологического обследования проб поверхностных природных вод производилась по общепринятой методике для статистической обработки медико-биологических данных [34, 41, 85] с помощью пакета программ STATISTICA 6.0 [133]. В процессе статистической обработки рассчитывались коэффициенты парной и множественной корреляции между данными полученными методами аналитической химии и биотестирования с целью подбора оптимального метода биотестирования для ведения фонового экологического мониторинга вод на территории Сургутского района.
Исследования экологического состояния поверхностных вод
Результаты исследований экологического состояния поверхностных вод на территории Сургутского района с помощью физико-химических методов и биотестирования - тест-объект инфузория туфелька - Paramecium caudatum приведены в таблице 3.1. Физико-химическими методами определялись следующие показатели: рН, взвешенные вещества (КВВ), сухой остаток, удельная электропроводность (УЭП), биологическое потребление кислорода (БПК5), РЪ, Zn, Mn, Fe, ионы аммония (ИНД фосфаты (Р04 ), сульфаты (S04"). хлориды (СГ), нефтепродукты. В таблице 3.2. представлены результаты математической отработки данных таблицы 3.1 методами корреляционного анализа с применением пакета программ STATISTICA 6. В ней приведены коэффициенты парной корреляции между данными биотестирования и результатами физико-химического анализа экологического состояния проб поверхностных вод отобранных на территории Сургутского района, а так же коэффициенты парной корреляции показателей полученных с помощью аналитических методов друг с другом. Анализ корреляционной матрицы (таблица 3.2) показывает, что парные коэффициенты корреляции между данными физико-химических методов незначительные. Это говорит об отсутствии между ними взаимосвязи (линейной зависимости) и необходимости учитывать каждый из представленных факторов при построении уравнения регрессии. Результаты математической обработки исходных данных методами регрессионного анализа приведены в таблице 3.3 Анализ таблицы 3.3, показал, что искомая математическая модель, связывающая результаты биотестирования и данные, полученные с помощью физико-химических методов, имеет следующий вид: у = 0,38504 - 0,02998 - 0,01439Х2 + 0,00047Х3 + 0,00164X4 0,01994Х5 - 11,86840X6 + 1,93199Х7 - 0,08594 - 0,00932Х9 - 0,04641Х10 0,П686ХП + 0,ОООЗЗХ12 -0,00450Х13 + 0,06207Х14 (3.1) где у - данные биотестирования, выраженные в виде индекса токсичности; Xj - рН; Х2 - взвешенные вещества; Х3 - сухой остаток; Х4 - удельная электропроводность; Х5 - БПК5; Х6 - РЬ; Х7 - Zn; Х8 - Mn; Х9 - Fe; Хю -NH4; ХЦ - Р04; Х - S04; Х13 - хлориды; Х14 - нефтепродукты. Результаты расчетов приведенных в таблице 3.3 указывают на то, что гипотеза об отсутствии какой бы то ни было линейной связи между данными биотестирования (у) и результатами физико-химических анализов (Xi...Xi4) отклоняется, т.е. взаимосвязь есть с вероятностью близкой к 1. Расчетное значение F-критерия Фишера F(14,179)=5,67 больше табличного значения равного 1,52 для уровня значимости р 0,000001, что говорит о высокой степени достоверности установленной взаимосвязи. Коэффициент множественной корреляции между данными биотестирования и результатами физико-химических анализов составляет 0,55. После обработки данных методом пошаговой множественной регрессии (таблица 3.4) результирующая модель с отбракованными незначимыми факторами примет вид: у - 0,398934 + 0.00Ш5Х4 + 1,909868Х7 - 0.00444 (3.2) где Х4- удельная электропроводность; Х7 - Zn; XJ3 - хлориды. Коэффициент множественной корреляции для этого случая уменьшился незначительно и составил 0,54. Результаты математической обработки исходных данных (табл. 3.1), где результаты биотестирования (у) выражаются не в виде индекса токсичности, а степенью токсичности (допустимая - I, умеренная - II, высокая - III) представлены в таблице 3.5.
