БИОЛОГИЯ ВНУТРЕННИХ ВОД, 2010, № 3, с. 91-96
ВОДНАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
УДК 574.04
КИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВЫЖИВАЕМОСТИ ДАФНИИ ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ СРЕДЫ ТОКСИКАНТАМИ © 2010 г. З. М. Алиева*, А. А. Мунгиев**, М. А. Мунгиева**, А. Г. Юсуфов*
*Дагестанский государственный университет, 367000 г. Махачкала, ул. М. Гаджиева, 43а e-mail: zalieva@mail.ru **Центр государственного экологического контроля, 367000 г. Махачкала, ул. Гайдара, 6 Поступила в редакцию 07.05.2008 г.
Исследовано комплексное действие нефти, меди и хрома на выживаемость ветвистоусого рачка Daphnia magnа Straus. Теоретически ожидаемые скорости гибели рачков при разных концентрациях токсикантов в случае их совместного действия рассчитывали с применением моделей ингибирова-ния, используемых в биохимии для описания ферментативной кинетики. Получено соответствие экспериментальных и теоретически ожидаемых скоростей гибели рачков (относительная величина стандартного отклонения 17.58%). Результаты экспериментов показывают применимость законов ферментативной кинетики при изучении действия токсикантов на зоопланктон, что позволяет использовать их для количественной оценки связи между концентрациями химических загрязнителей и мерой угнетения ими водной фауны.
Ключевые слова: нефть, медь, хром, комбинированное воздействие, ингибирование, ферментативная кинетика, Баркта magnа.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема загрязнения окружающей среды химическими соединениями имеет глобальный характер и продолжает оставаться в ряду приоритетных для современной экологии. Одно из важных направлений решения этой проблемы — разработка методов оценки качества окружающей среды и прогнозирования ее влияния на биоту. Необходимость таких методов особенно актуальна в связи с возрастанием уровня загрязнения токсичными соединениями сточных вод, поверхностных водных объектов, почв и биосферы в целом [1, 10, 17].
Для оценки качества окружающей среды используется ограниченное количество критериев, которые касаются в основном индивидуального нормирования загрязняющих веществ: предельно допустимая концентрация (ПДК), индексы загрязненности воды (ИЗВ) или атмосферы (ИЗА) и некоторые другие. Однако эти критерии недостаточны для прогнозирования отдаленных последствий загрязнения среды как отдельными веществами, так и их комплексами [6]. Вместе с тем, в природных условиях, как правило, присутствуют не отдельные загрязняющие вещества, а их смеси.
При описании процессов количественного роста культур микроорганизмов в лабораторных условиях широко используют методы ферментативной кинетики [2, 12, 13, 16]. Такой подход осно-
ван на зависимости интенсивности роста численности микроорганизмов от меняющегося в результате их жизнедеятельности соотношения концентрации питательного субстрата и продуктов метаболизма в среде. При этом исходят из того, что субстрат стимулирует, а продукты метаболизма инги-бируют рост микроорганизмов.
На численность водных макроорганизмов сходное по направленности воздействие оказывают пища и токсические загрязняющие вещества в окружающей среде, поэтому можно предполагать, что и здесь применимы методы ферментативной кинетики. В связи с этим представляет интерес проверить возможность применения данных методов для описания ответных реакций популяций водных макроорганизмов на действие загрязняющих веществ.
Цель работы — проверить применимость методов ферментативной кинетики для описания кинетических характеристик изменения численности лабораторной культуры дафний в эксперименте при остром токсическом действии отдельных токсикантов и их смесей.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В экспериментах, проводимых по стандартной методике токсикологических исследований, использован классический тест-объект — ветвисто-усый рачок Daphnia magna Straus [11]. В качестве
Таблица 1. Ряды сочетаний концентраций комплекса ингибиторов, выбранные для опыта по совместному действию трех токсикантов
Номер ряда Концентрация токсикантов, мг/л
Нефть (Р1) Медь (Р2) Хром (Р3)
1 2.0 0.01 0.08
2 4.2 0.02 0.17
3 8.3 0.04 0.30
4 16.7 0.08 0.70
5 33.3 0.17 0.13
токсикантов использовали загрязняющие вещества в пяти возрастающих концентрациях: нефть (6, 12.5, 25, 50, 100 мг/л), а также водные растворы солей Си804 • 5Н2О (с концентрациями Си 0.03, 0.06, 0.12, 0.25, 0.5 мг/л) и К2Сг207 (с концентрациями Сг 0.25, 0.5, 1.0, 2.0, 4.0 мг/л). Сырая нефть с преобладанием тяжелых фракций получена из Бе-рикейского месторождения (Дагестан). Эмульсию нефтепродуктов получали перемешиванием в течение 60 мин на магнитной мешалке [5]. Выбор загрязнителей объясняется тем, что их исследование наиболее актуально для прибрежной зоны Каспия [1]. Контролем служила вода без токсиканта. Реакцию популяций на воздействия среды количественно можно оценить по выживаемости, скорости и интенсивности отмирания (элиминации) ее особей [7, 14], поэтому в качестве основного показателя для оценки действия токсикантов использована выживаемость рачков в остром опыте за 24, 48, 72, 96 и 120 ч.
Опыты ставили в трех повторностях (по 30 особей в каждой повторности). В таблицах приведены средние арифметические значения для варианта и их ошибки.
Экспериментальная проверка предложенной модели комплексного влияния ингибиторов состояла из двух этапов.
На первом этапе учитывали выживаемость объектов при воздействии каждого из токсикантов в отдельности. Рассчитывали скорости гибели при действии каждой концентрации токсиканта-ингибитора. Скорость гибели вычисляли по формуле
V = (щ +1 - щ) / А г, (1)
где п1 — количество особей, п(- + 1 — количество особей в каждом последующем измерении, А — промежуток времени между измерениями.
Удельную скорость гибели определяли по формуле
V
На основании полученных значений вычисляли средние удельные скорости гибели (^р.уд.) для каждой концентрации токсиканта. Для нахождения констант и максимальных скоростей гибели построены графики зависимости скорости гибели от концентрации токсиканта (Р). Для линеаризации графиков по методу Лайнуивера—Бэрка [3] рассчитаны двойные обратные координаты (1/Р и 1/^ср.уд.). Полученные зависимости Лайнуивера—Бэрка (1/К от 1/Р) использовали для определения кинетических констант. При этом отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен величине —1/^^, а отрезок, отсекаемый на оси абсцисс, равен величине — 1/Кр. Таким образом, графоаналитическим методом определяли максимальные скорости гибели (Ктах) и коэффициенты скорости гибели (Кр) дафний для всех исследуемых токсикантов в отдельности.
Далее проводили второй этап эксперимента: изучение комплексного влияния сочетаний токсикантов и определение экспериментальных скоростей гибели для смесей. По данным раздельных опытов (в пределах изученного диапазона концентраций токсикантов) выбирали ряды сочетаний концентраций (табл. 1) для постановки проверочных экспериментов по совместному действию токсикантов. Такие эксперименты ставили по той же методике, как и раздельные. На их основании определены экспериментальные значения скоростей гибели для смесей токсикантов.
Для расчета теоретических скоростей гибели использовано уравнение, описывающее кинетику многокомпонентного ингибирования, в следующей модификации:
V =
^ахЖр! X ... X Кр„
(К + 5)(Кр! + Р) X ... X (Кр„ + Р„)
- V*, (3)
V =
уд
(щ +! + щ) / 2'
(2)
где Кр1, Кр2, ... Крп — константы скорости гибели дафний для каждого токсиканта; Кр — величина, количественно характеризующая степень действия данного вещества на данный объект, численно равная концентрации Р-токсиканта, при которой скорость гибели достигает значения, равного половине максимального (Утгх — величина, характеризующая внутренний "потенциал" популяции и механизмы "компенсации" внешних негативных воздействий); V* — скорость гибели при максимальной концентрации токсиканта, численно характеризующая процессы, связанные с гибелью или разрушением; S — концентрация пищи; Р1, Р2,... Рп — концентрации токсикантов; п — число токсикантов; & — константа насыщения (концентрация пищи, при которой скорость роста равна половине максимальной). В условиях "острого" опыта V = 0, Vmяx = —V*.
При создании в остром опыте постоянного присутствия пищи (дафнии получают достаточно кор-
КИНЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВЫЖИВАЕМОСТИ ДАФНИЙ 93
Таблица 2. Показатели, характеризующие изменение численности дафний при действии нефти, меди и хрома
Р, мг/л Количество выживших дафний по срокам культивирования, ч V ч- ср.уд'' ^
24 4 8 72 96 120
Нефть
6.0 30.0 ± 0.0 29.0 ± 1.0 20.0 ± 3.0 12.0 ± 2.0 4.0 ± 1.0 -0.014
12.5 26.0 ± 2.0 21.0 ± 1.0 20.0 ± 2.0 12.0 ± 1.0 2.0 ± 1.0 -0.021
25.0 24.0 ± 2.0 18.0 ± 2.0 11.0 ± 2.0 6.0 ± 1.0 0.0 -0.027
50.0 21.0 ± 2.0 17.0 ± 2.0 11.0 ± 2.0 6.0 ± 2.0 0.0 -0.030
100.0 12.0 ± 2.0 8.0 ± 2.0 3.0 ± 1.0 Медь 2.0 ± 0.0 0.0 -0.041
0.03 30.0 ± 0.0 30.0 ± 0.0 30.0 ± 0.0 27.0 ± 1.0 17.0 ± 2.0 -0.005
0.06 30.0 ± 0.0 30.0 ± 0.0 30.0 ± 0.0 24.0 ± 2.0 9.0 ± 2.0 -0.009
0.12 30.0 ± 0.0 30.0 ± 0.0 24.0 ± 3.0 18.0 ± 1.0 8.0 ± 1.0 -0.012
0.25 18.0 ± 2.0 15.0 ± 0.0 15.0 ± 1.0 9.0 ± 1.0 2.0 ± 0.0 -0.022
0.50 3.0 ± 1.0 0.0 0.0 Хром 0.0 0.0 -0.076
0.25 30.0 ± 0.0 27.0 ± 2.0 21.0 ± 3.0 15.0 ± 2.0 9.0 ± 2.0 -0.010
0.50 30.0 ± 0.0 21.0 ± 3.0 9.0 ± 1.0 6.0 ± 2.0 3.0 ± 0.0 -0.019
1.0 30.0 ± 0.0 9.0 ± 2.0 2.0 ± 0.0 0.0 0.0 -0.038
2.0 15.0 ± 3.0 3.0 ± 1.0 0.0 0.0 0.0 -0.056
4.0 8.0 ± 3.0 0.0 0.0 0.0 0.0 -0.066
Примечание. Кср уд рассчитана по формулам (1) и (2). Здесь и в табл. 3 число особей равно 30; эксперименты проведены в трех повторностях.
ма) 5/(Кз + = 1, формула (3) приобретает следую щий вид:
РшахКр! X ... X Кр„
V =
- V*.
(4)
(КР! + Л) X ... х(Кр„ + Рп)
Это уравнение использовано для расчета совместного влияния нескольких токсикантов. Для вычислений выбирали "тройки" концентраций токсикантов (Р1—Р3) (табл. 1), а также найденные в раздельных опытах по графикам значения кинетических констант для каждого из токсикантов.
Максимальную скорость Ктах вычисляли как среднее значение из полученных в раздельных опытах скоростей гибели.
Рассчитав теоретические скорости гибели сочетаний токсикантов, сравнивали их со скоростями, полученными в экс
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.