УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2014, том 134, № 6, с. 614-622
УДК 504.064
БИОТЕСТИРОВАНИЕ В НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ И ПРИРОДООХРАННОЙ ПРАКТИКЕ РОССИИ
© 2014 г. А. С. Олькова
Вятский государственный гуманитарный университет, Киров E-mail: morgan-abend@mail.ru
Биотестирование как группа методов токсикологического анализа нашло широкое применение в исследованиях химических, биологических и медицинских наук. Актуальность оценки состояния окружающей среды стимулирует появление многочисленных методов биотестирования по направлениям: поиск наиболее чувствительных тест-организмов, информативных тест-функций, разработка экспресс-методов, обеспечение методов специализированной приборной базой. В итоге можно наблюдать спектр авторских методик, различающихся используемыми организмами, сложностью их культивирования и операциями анализа, а также степенью применения научным сообществом. При этом в государственную природоохранную практику, регламентированную нормативными документами, внедрен лишь узкий перечень предлагаемых методик. В статье показан большой разрыв между научными разработками и их внедрением в природоохранную практику. Многие методики, которые прошли сложную процедуру аттестации, остаются не востребованными среди специалистов аккредитованных лабораторий. Это связано с нехваткой средств на закупку нового оборудования и отсутствием мотивации для расширения области аккредитации в части токсикологического анализа.
Ключевые слова: биотестирование, тест-организм, тест-функция, методика биотестирования, аттестация методик, охрана окружающей среды.
ВВЕДЕНИЕ
Оценка качества компонентов окружающей среды, а также безопасности многих техногенных сред (сточных вод, отходов, новых веществ и материалов, включая наноматериалы) довольно давно опирается не только на количественный химический анализ, но и на ответные реакции организмов. Отклик живых систем, безусловно, важен для оценки результатов работы токсикологов, экологов, химиков, фармацевтов и других специалистов.
В настоящее время в области биотестирования ярко обозначилась проблема разобщенности новых научных разработок и их применения на уровне природоохранной деятельности, регламентируемой федеральным законодательством.
Цель данной работы - анализ уровня развития методов биотестирования и степени внедрения их в практику природопользователей и государственных природоохранных органов Российской Федерации.
ТЕОРИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ТЕСТИРОВАНИЯ
Теоретическая основа биологического тестирования относится к предмету токсикологии и представляет собой классический экспериментальный методический прием, используемый в токсикометрии для разработки нормативов содержания химических веществ в окружающей среде (Ни-каноров, 2000). Научная школа МГУ в области биодиагностики определяет биотестирование как оценку качества компонента окружающей среды по ответным реакциям стандартизированных тест-организмов, содержащихся в лабораторных условиях (Технологии биотестирования..., 2008).
Среди методов биодиагностики состояния окружающей среды биотестирование закрепилось в группе методик, допущенных для целей государственного экологического контроля и мониторинга, в противовес биоиндикации. Биоиндикация и биотестирование близки по целям исследования. Но, в то же время, наблюдается принципиальная разница в методологии и сути проводимых работ. Биотестирование показывает токсичность пробы для специально подобранных наиболее чувствительных организмов, то есть
характеризует возможные последствия загрязнения для естественной биоты. Биоиндикация отражает уже произошедшее последствие загрязнения через фактическое состояние живых организмов в районе исследования.
Токсикологические исследования активно начали проводиться в начале XIX века, что было связано с массовым развитием химической технологии и, соответственно, появлением ряда веществ с неизвестными свойствами. Вслед за этим возникла необходимость оценивать последствия индустриализации. Биотестирование включили в оперативный контроль загрязнения вод в США и других европейских странах. Вслед за этим в России широкую известность приобрели научные работы Н.С. Строганова (1971, 1987) и Л.А. Лесникова (1971).
Первые методики биотестирования были аттестованы и внесены в федеральный реестр методик выполнения измерений Российской Федерации в конце 90-х гг. прошлого столетия. Под аттестацией методик (методов) измерений понимают совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности (ГОСТ Р 8.563-2009, 2009). Процедура аттестации биологических методов стала возможной во многом благодаря введению строгой стандартизации методов и тест-организмов.
Стандартизация в области биотестирования включает в себя:
1) строгую регламентацию видовой принадлежности используемого организма;
2) содержание культуры в оптимальных условиях, регламентированных методикой;
3) поддержание чувствительности культуры организмов в заданных методикой интервалах.
А.Н. Крайнюкова (2004) определяет чувствительность как количество позитивных ответов из общего числа протестированных проб, реагирование тест-объекта на широкий спектр токсических веществ.
Стандартизация биологических методов контроля позволяет лабораториям выдавать результаты анализов с известной точностью. При этом регламентированная чувствительность культуры является ключевым звеном объективного определения токсичности компонента окружающей среды. Чувствительность устанавливается с помощью серий растворов модельных токсикантов, которыми чаще всего выбираются соли тяжелых металлов (сульфат меди, дихромат калия, сульфат цинка).
В настоящее время заслужила высокой оценки "экспрессность" методов биотестирования, при которой получение результата о токсичности тестируемой среды возможно за минуты или несколько часов.
РАЗНООБРАЗИЕ ТЕСТ-ФУНКЦИЙ И ТЕСТ-ОРГАНИЗМОВ
Научно-исследовательская практика представлена широким спектром методик и используемых тест-организмов. Доминируют гидробионты из различных трофических звеньев водных экосистем: ракообразные (дафнии, цериодафнии), водоросли (хлорелла, сценедесмус), макрофиты, простейшие (инфузории разных видов), коловратки, рыбы, личинки насекомых (хирономиды) и некоторые другие. Причем для каждого тест-организма предлагается оценивать разные тест-функции.
Низшие ветвистоусые ракообразные Daphnia magna Straus и Ceriodaphnia affinis Lilljeborg остаются востребованными как в природоохранной практике, так и в научных исследованиях, в том числе по усовершенствованию методик. Этому способствует удобство культивирования организмов, высокая плодовитость маточной и синхронизированной культур в оптимальных условиях, сравнительная простота выполнения эксперимента. К этому стоит прибавить еще одно весомое преимущество - возможность проводить эксперименты на установление не только острой, но и хронической токсичности.
В острых экспериментах с ракообразными не так много возможностей расширить спектр фиксируемых тест-функций. Тем не менее, кроме гибели, как основного показателя токсичности, авторы предлагают оценивать, например, трофическую активность, то есть величину поглощенного дафниями корма за определенный промежуток времени. Для регистрации трофической активности рачков представители Красноярской научной школы используют изменение интенсивности нулевого уровня быстрой флуоресценции водоросли хлорелла, используемой в качестве корма (Шашкова, Григорьев, 2013). Также возможна оценка разницы между оптической плотностью тестируемой среды непосредственно после кормления и перед следующим кормлением (Олькова, 2013а), что позволяет определить сублетальные концентрации загрязняющих веществ.
Ряд авторов предлагает в качестве оперативного метода биотестирования контролировать
частоту сердечных сокращений рачков (ЧСС) (Усанов, 2004; Подосиновикова и др., 2008; Кулагина, 2011). Метод отличается экспрессностью и автоматизацией опыта. В работе (Кулагина, 2011) на примере растворов пестицидов показана состоятельность метода: летальные концентрации действующих веществ уже в начальный период экспозиции увеличивают показатель ЧСС до 30 % по сравнению с контролем.
Эксперименты по установлению хронической токсичности на рачках дают еще большее разнообразие оцениваемых ответных реакций. Смертность взрослых особей и их плодовитость являются обязательными для регистрации. Важным источником информации становится качество молоди в контрольных и опытных вариантах. Многими авторами оцениваются следующие токсические эффекты: уродства в виде отсутствия щетинок на антеннах, деформации раковин, а также появление мертворожденной или нежизнеспособной молоди (Лесников, Мосиенко, 1992; Исакова, Коломенская, 2002).
На взрослых особях дафний также можно выявить негативные воздействия: изменяется их двигательная и трофическая активности, отодвигается время наступления зрелости, биомасса и линейные размеры особей отличаются от контрольных значений (Ларин, 1994; Филенко и др., 2004).
Количество абортивных яиц также необходимо включать в оцениваемые показатели хронических экспериментов. Учет этой реакции не требует высокой квалификации исполнителя, в то же время четко сигнализирует о стрессе особей (Олькова, 2012, 2013б).
Для более глубокого изучения токсического действия веществ перечисленные функции можно фиксировать в ряду нескольких поколений рачков.
Одноклеточные водоросли - следующая популярная группа тест-организмов, в основном это Scenedesmus quadricauda Turp. Breb и Chlorella vulgaris Beijer. На современном этапе развития биотестирования ученые реже обращаются к подсчету клеток в камерах Горяева (Методика определения..., 2007), используя "приборные" методы, которые направлены в основном на выявление прироста клеток и определение уровня флуоресценции хлорофилла клеток. А.С. Коновалов (2013) при тестировании солей мышьяка отмечает, что биотестирование изменения интенсивности флуоресценции хлорофилла клеток водорослей S. quadricauda показывает большую чувствительность и скорость получения ответа, чем оценка влияния в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.