Введение к работе
Актуальность исследования. Загрязнение водоемов особенно опасно на фоне общей нехватки пресной воды. Согласно современным российским нормативным документам: «качество воды – характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования» (ГОСТ 17.1.1.07). Определенный уровень качества воды необходим для стабильного существования биосферы. Так, присутствие токсических химических веществ в поверхностных водах суши чаще всего является основной причиной гибели гидробионтов, исчезновения не только отдельных видов, но и крупных таксонов (Бакаева, Никаноров, 2006)
Под токсичностью воды до недавнего времени понимали только присутствие загрязняющих веществ в концентрациях выше ПДК (ГОСТ 27065-85 (СТ СЭВ 5184-85)). Но оценка риска загрязнения осложняется его комплексной природой. По мнению Бакаевой и Никанорова (2006), понятие «токсичность» следует расценивать как интегральную характеристику качества воды, обусловленную проявлением негативных для водной среды свойств присутствующих в ней химических веществ.
Такой подход определяет необходимость использования биотестов, которые дают возможность обнаружить способность исследуемого образца вызывать токсические эффекты, в том числе поражать определенные классы биомолекул. Особого внимания заслуживает мониторинг генотоксинов – веществ, способных повреждать генетический аппарат. Развитие обоих вышеназванных методических подходов, объединение их в общий аналитический блок является актуальной задачей.
Удобной моделью для разработки проблематики, связанной с системами мониторинга качества водной среды, являются городские родники. Каждый источник является самостоятельным водоемом со своими гидрохимическими особенностями и характерным спектром антропогенного загрязнения. Это позволяет организовать получение разнообразных проб в минимальное время на небольшой территории.
Важное место среди тест-объектов, применяемых при разработке новых методов биотестирования токсичности водной среды, занимают светящиеся бактерии. Природные их штаммы и генно-инженерные конструкции могут быть использованы в качестве биологической основы биосенсоров, позволяющих в режиме on-line регистрировать гибель, либо изменение параметров метаболизма живых систем. Биолюминесцентные тесты на общую токсичность и генотоксичность достаточно широко применяются в современной экотоксикологии. Однако, ввиду того, что многие из антропогенных токсикантов действуют по прооксидантному механизму, мы сочли необходимым усилить нашу батарею тестов методами детекции прооксидантной активности. Кроме того, ввиду актуальности проблемы загрязнения городских сточных вод ртутью и мышьяком, были использованы тест-системы для оценки содержания этих металлов.
Цель работы: Исследование генетико-токсикологических характеристик воды родников г. Ростова-на-Дону на основе применения репрезентативного набора биотестов на основе светящихся бактерий.
Задачи исследования:
-
Оптимизация набора биотестов на основе светящихся бактерий и их протоколов с целью повышения чувствительности к токсикантам различной природы.
-
Оценка токсичности воды родников г. Ростова-на-Дону с помощью репрезентативного набора биотестов.
-
Сопоставление данных биотестирования и химического анализа приоритетных поллютантов.
-
Анализ принципов и перспектив формирования комплекса методов оценки качества природных вод, объединяющих химический анализ и биотестирование.
Научная новизна результатов. Впервые апробирована на приоритетных токсикантах и природных образцах воды родников г. Ростова-на-Дону батарея экспресс-тестов на основе светящихся бактерий, с временем ответа, не превышающим 2 часа, позволяющая определять интегральную токсичность, генотоксичность, прооксидантную активность, а также оценивать присутствие ртути и мышьяка.
Впервые, на основе четырехлетнего мониторинга, получены данные по токсичности, генотоксичности и проооксидантной активности воды 24 родников, расположенных на территории г. Ростова-на-Дону.
Впервые в воде родников г. Ростова-на Дону проведено определение содержания ряда приоритетных токсикантов: ртути, полиароматических углеводородов (ПАУ), полихлорированных бифенилов (ПХБ). Показано наличие в пробах канцерогенных ПАУ.
Впервые проведено сопоставление данных по токсичности и генотоксичности воды родников г. Ростова-на-Дону, полученных при помощи вышеназванных биотестов, с данными по содержанию в воде группы приоритетных токсикантов.
Научно-практическая значимость работы. Проведенные исследования позволили сформировать батарею экспресс-тестов на основе светящихся бактерий, с временем ответа, не превышающим 2 часа, позволяющаю определять интегральную токсичность, генотоксичность, прооксидантную активность проб воды, а также оценивать присутствие в них ртути и мышьяка. Данный набор тест-систем может быть применен для решения широкого спектра экотоксикологических задач.
Результаты четырехлетнего мониторинга токсичности воды родников г. Ростова-на-Дону свидетельствуют о системном характере загрязнения этих водоемов. Особую опасность несет загрязнение воды всех исследованных родников генотоксинами. Выявление количественных параметров загрязнения токсичными веществами родниковой воды позволит проводить направленный поиск источников загрязнения. Выявленные факты являются основанием для разработки комплексной программы улучшения качества воды городских водоемов г. Ростова-на-Дону, неотъемлемой частью которой должно быть внедрение в практику системы биомониторинга.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Подбор оптимальной плотности суспензий клеток биосенсорных штаммов позволяет добиться максимальной чувствительности при определении интегральной токсичности, генотоксичности, прооксидантной активности проб воды, а также оценки присутствия в них ртути и мышьяка.
-
Загрязнение воды родников г. Ростова-на-Дону токсичными веществами, в том числе способными повреждать генетический аппарат и вызывать прооксидантные эффекты, носит масштабный характер.
-
Данные по корреляции генотоксичности, прооксидантной активности и содержанию приоритетных токсикантов позволяют предположить участие в развитии прооксидантного эффекта и генотоксичности соединений, родственных полиароматическим углеводородам (ПАУ).
-
Использование бактериальных люминесцирующих биосенсоров позволяет в результате проведения первичного скрининга отобрать для более подробного исследования пробы, загрязненные токсичными веществами. Исключение из перечня анализируемых «чистых» проб значительно ускоряет и повышает эффективность проведения исследования.
Апробация работы. Результаты диссертации доложены на Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010); XV Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» с элементами молодежной научной школы (Новосибирск, 2010); 4-й Международной телеконференции «Фундаментальные науки и практика» (Томск, 2011); 5-й Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011); Семнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (25 марта 2011 г. - 1 апреля 2011 г., г. Екатеринбург): IV Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (г. Ростов-на-Дону, 2011); Международной конференции «Биология – наука XXI века» (Москва, 24 мая 2012 г.); I Международном биологическом конгрессе Кыргызстана (24-26 сентября 2012 г.). (Бишкек, 24-26 сентября 2012) и Ученых Советах НИИ биологии ЮФУ.
Конкурсная поддержка работы. Автор как исполнитель участвовал в работе по грантам, поддержанных Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках АВЦП (№ 2.1.1/5028 «Мониторинг загрязнения окружающей среды при помощи бактериальных lux-биосенсоров» и ФЦП «Исследование экотоксикологических параметров и бактериального загрязнения сточных вод г. Ростова-на-Дону и г. Мюнхена», соглашение № 14.A18.21.0851.
Личный вклад автора. Основу диссертации составляют данные, полученные автором в 2009-2012 гг. Автор принимал личное участие на всех этапах работы, а именно: формулировка проблемы, постановка целей и задач, планирование и проведение экспериментов. По результатам исследований автором или научным коллективом с участием автора опубликованы научные работы, где проанализированы и определены основные результаты диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, 6 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация изложена на 184 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, результатов исследования, обсуждения полученных результатов, заключения, выводов и списка использованной литературы; содержит 31 таблицу, 32 рисунка. Список литературы включает 212 источников, из них 62 источника отечественных и 150 зарубежных авторов.
