DETERMINING THE DEGREE OF TOXICITY OF NATURAL SURFACE WATER POLLUTED WITH OIL PRODUCTS BY METHODS NUMERICAL CHEMICAL ANALYSIS AND BIO-TESTING
Authors:
1.
Branch of the Center of Laboratory Analysis and Technical Measurements in Southern Federal District - Center of Laboratory Analysis and Technical Measurements in the Astrakhan region
2.
Branch of the Center of Laboratory Analysis and Technical Measurements in Southern Federal District - Center of Laboratory Analysis and Technical Measurements in the Astrakhan region
3.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 42
to 49
Status:
Published
Received:
05.12.2016
Accepted:
25.12.2016
Published:
25.12.2016
Subject area:
UDK 628.394.6:57/.59:665.6
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
GRNTI 34.39 Физиология человека и животных
GRNTI 62.13 Биотехнологические процессы и аппараты
GRNTI 69.01 Общие вопросы рыбного хозяйства
GRNTI 69.25 Аквакультура. Рыбоводство
GRNTI 69.31 Промышленное рыболовство
GRNTI 69.51 Технология переработки сырья водного происхождения
GRNTI 87.19 Загрязнение и охрана вод суши, морей и океанов
Language:
Russian
Keywords:
river Volga, oil pollution, bioassay, quantitative chemical analysis, bio-test, test-organism, Daphnia magna, toxiс effect, harmless concentration, lethal concentration
Abstract (English):
The complex studies of oil pollution of water bodies were carried out in the vicinities of Astrakhan in places of accidental oil spills in 2013-2015. A comparative analysis of 87 samples of natural water and oil film was made. Exceeding the maximum allowable concentration of oil products by dissolved oil products using the method of quantitative chemical analysis was recorded in 46 natural water samples. The rate of excess: less than 10 times - in 35 samples; more than 10 times - in 4; more than 30 times - in 3; more than 60 times - in 3; more than 100 times - in 1 sample is fixed. 29 water samples with different values of the indicators of pollutant (gasoline, kerosene, diesel fuel (diesel fraction), lubricating oil (heavy or oil fractions), oil-containing waste bioassay were tested using the test object Daphnia magna Straus. The duration of the bio-test was 96 hours. The limit of harmless concentrations of oil products, dissolved in natural water, amounted to 0.031-0.136 mg/dm3; the limit of harmless concentrations of oil products of various fractions, dissolved in water, - 0.012-0.200 mg/dm3. The range of lethal concentrations (LC50) of oil, dissolved in natural water, amounted to 0.041-0.411 mg/dm3; range of LC50 of oil products of various fractions, dissolved in water, - 0.025-2.000 mg/dm3. The heaviest oil fractions of oil products had the maximum effect on Daphnia magna Straus. The bio-testing methods, along with the traditional analytical techniques can be effectively used in a complex study of oil pollution of the aquatic environment in the practice of control of public environmental organizations.
The complex studies of oil pollution of water bodies were carried out in the vicinities of Astrakhan in places of accidental oil spills in 2013-2015. A comparative analysis of 87 samples of natural water and oil film was made. Exceeding the maximum allowable concentration of oil products by dissolved oil products using the method of quantitative chemical analysis was recorded in 46 natural water samples. The rate of excess: less than 10 times - in 35 samples; more than 10 times - in 4; more than 30 times - in 3; more than 60 times - in 3; more than 100 times - in 1 sample is fixed. 29 water samples with different values of the indicators of pollutant (gasoline, kerosene, diesel fuel (diesel fraction), lubricating oil (heavy or oil fractions), oil-containing waste bioassay were tested using the test object Daphnia magna Straus. The duration of the bio-test was 96 hours. The limit of harmless concentrations of oil products, dissolved in natural water, amounted to 0.031-0.136 mg/dm3; the limit of harmless concentrations of oil products of various fractions, dissolved in water, - 0.012-0.200 mg/dm3. The range of lethal concentrations (LC50) of oil, dissolved in natural water, amounted to 0.041-0.411 mg/dm3; range of LC50 of oil products of various fractions, dissolved in water, - 0.025-2.000 mg/dm3. The heaviest oil fractions of oil products had the maximum effect on Daphnia magna Straus. The bio-testing methods, along with the traditional analytical techniques can be effectively used in a complex study of oil pollution of the aquatic environment in the practice of control of public environmental organizations.
Keywords:
river Volga, oil pollution, bioassay, quantitative chemical analysis, bio-test, test-organism, Daphnia magna, toxiс effect, harmless concentration, lethal concentration
river Volga, oil pollution, bioassay, quantitative chemical analysis, bio-test, test-organism, Daphnia magna, toxiс effect, harmless concentration, lethal concentration
Введение В современных условиях реки Волжского бассейна испытывают всё более мощное влияяние антропогенного фактора. В водную среду попадает множество химических соединений, оказывающих токсическое воздействие на живые организмы и опасных для здоровья человека [1]. Отмечается, что «эти соединения и смеси веществ повреждают, ингибируют, стрессируют, вызывают генетические изменения или убивают» [2, с. 10]. Пример опаснейших загрязнителей (поллютантов) водной среды - нефть и нефтепродукты. С ростом количества чрезвычайных ситуаций и аварий отрицательное воздействие разливов нефти на окружающую среду также возрастает. Экологические последствия при этом носят сложный характер, поскольку нефтяные загрязнения нарушают многие естественные процессы и взаимосвязи, меняют условия обитания организмов [3-5]. Определение и анализ степени загрязнения водоёмов позволяют оценить соответствие химических характеристик водных объектов общепринятым утверждённым нормативам качества и требованиям к чистоте и режиму водоёмов [6, 7], степень экологической безопасности хозяйственной деятельности и экологической ситуации на отдельных водных объектах, выделить наиболее неблагоприятные в экологическом отношении районы [8]. Степень токсичности водной среды (toxity of water environment) оценивается количественным химическим анализом (КХА) по определению предельно допустимой концентрации (ПДК) [9] и методами биотестирования [10]. Биотестирование позволяет оценить пригодность воды для жизни гидробионтов, обеспечивающих процессы самоочищения водоёмов [2]. Проведение экспериментов по влиянию отдельных поллютантов на тест-объект в контролируемых лабораторных условиях позволяет выявить влияние конкретного фактора, исключить влияние других факторов внешней среды, выяснить летальные (ЛК50) и безопасные дозы поллютанта, проследить физиологические и морфологические изменения, происходящие в живых организмах под воздействием поллютанта. Задачи и методы исследований С целью изучения влияния загрязнений водной среды нефтепродуктами непосредственно на живые организмы методами КХА [9] и биотестирования [10] был проведён сравнительный анализ 87 проб природной воды и плёночного нефтепродукта. Пробы были отобраны в окрестностях г. Астрахани в местах аварийных разливов нефтепродуктов в 2013-2015 гг. на водных объектах - реках Волга, Бахтемир, Кизань, Бобёр, Прямая Болда, Кривая Болда, протоке Сере-бряная Воложка (рис. 1). Установлена кратность превышения ПДК. Рис. 1. Карта отбора проб природной воды и плёночных нефтепродуктов в местах аварийных разливов нефтепродуктов В 29 пробах воды с различными по значению показателями поллютанта проводилось биотестирование на тест-объекте Daphnia magna Straus. Биотестирование проб воды проводили на синхронизированной культуре дафний. Учёт смертности и наблюдение за изменениями физиологического состояния дафний в опыте и контроле проводили ежедневно до истечения 96 часов. Для определения летальных концентраций и безвредных концентраций применяли прямой подсчёт или метод пробит-анализа [10]. Контроль качества оценки токсичности воды по определению чувствительности используемых тест-организмов к модельному «эталонному» токсиканту - калию двухромовокислому (K2Cr2O7) проводился один раз в три месяца. Диапазон концентраций модельного токсиканта, при действии которого в течение 24 часов гибнет 50 % дафний, составлял 1,0-1,26 мг/дм3, что соответствует диапазону чувствительности тест-объекта согласно методике (0,9-2,0 мг/дм3) [10]. Результаты исследований В ходе исследования превышения ПДК по растворённым нефтепродуктам зафиксированы в 46 пробах природной воды, в том числе: - менее чем в 10 раз - в 35 пробах; - более чем в 10 раз - в 4 пробах; - более чем в 30 раз - в 3 пробах; - более чем в 60 раз - в 3 пробах; - более чем в 100 раз - в 1 пробе. Остролетальные концентрации нефтепродуктов, при которых наблюдается 50 %-ная гибель тест-организмов, были установлены в 8 пробах воды, в том числе 100 %-ная гибель - в 4 пробах. Превышения порога безопасной концентрации, при которых гибель тест-организмов составила более 10 %, но менее 50 %, установлены в 7 пробах воды, превышения порога безопасной концентрации, при которых гибель не превысила 10 %, - в 14 пробах воды (табл. 1). Таблица 1 Показатели гибели тест-объекта в зависимости от содержания нефтепродуктов в пробах воды Гибель, % № пробы 16* 17 18А 18Б 18В 18Г 18Д 18Е 19А 19Б 20В 20Г 20Е 20Ф Содержание нефтепродуктов в пробах воды, мг/дм3 0 0,014 0,01 0,031 0,033 0,036 0,036 0,038 0,034 0,051 0,027 0,021 0,021 0,033 0,02 10 0,061 0,07 0,034 0,036 0,136 0,118 0,111 0,107 0,059 0,031 0,038 0,038 0,067 0,04 13 0,134 20 0,038 0,404 0,409 0,081 30 0,23 0,575 50 0,815 0,041 0,411 0,125 0,076 0,174 0,086 60 0,212 63 0,075 70 0,041 0,609 80 1,35 0,051 0,151 90 0,053 0,054 0,322 0,302 100 13,53 2,131 3,246 0,82 * Проба отобрана в трюме затопленного судна. Анализ результатов биотестирования проб природной воды, загрязнённой нефтепродуктами, показал, что тест-организмы чутко реагировали на наличие в природной воде различных доз нефтепродуктов. Тест-отклики у гидробионтов (нарушение функций дыхания, поведенческая реакция вращения, всплывание на боку на поверхность воды, судороги, оседание на дно сосуда, летальный исход) наблюдались в диапазоне концентраций нефтепродуктов 0,031-13,53 мг/дм3 (табл. 1). В ходе исследований установлено: значения порога безопасной концентрации нефтепродуктов в пробах природной воды варьировали в диапазоне 0,031-0,136 мг/дм3, значения порога летальной концентрации нефтепродуктов - 0,041-0,411 мг/дм3, наименьшая концентрация нефтепродуктов, при которой была зарегистрирована гибель тест-организмов 100 %, - 0,82 мг/дм3 (табл. 1). Сравнительный анализ результатов превышения показателей ПДК, безопасной и летальной концентрации показал, что в некоторых пробах с близкими по значению превышениями ПДК значения летальной и безопасной концентрации значительно отличаются (рис. 2). Предположительная причина - различие в соотношении фракционного состава поллютанта в пробах, отобранных на разных водных объектах вблизи мест аварийных выбросов нефтепродуктов. Рис. 2. Диаграмма превышения показателей ПДК, БК (безопасной концентрации) и ЛК (летальной концентрации) в пробах природной воды Для изучения влияния различных фракций нефтепродуктов на гидробионты была дополнительно проведена серия опытов на тест-объекте Daphnia magna Straus. Длительность биотестирования - 96 ч. В качестве поллютантов были использованы: - бензин (лёгкие или бензиновые фракции) - Б; - керосин (средние или керосиновые фракции) - К; - дизельное топливо (дизельная фракция) - Д; - машинное масло (тяжёлые или масляные фракции) - М; - нефтесодержащий отход - О, отобранный с поверхности воды в месте аварийного разлива нефтепродуктов на протоке Серебряная Воложка (рис. 3). Гибель, % Массовая концентрация поллютантов в пробах воды в ходе биотестирования, мг/дм3: 1 - 0,012; 2 - 0,025; 3 - 0,05; 4 - 0,25; 5 - 2,0; 6 - 4,0; 7 - 20,0 Рис. 3. График зависимости гибели Daphnia magna Straus под воздействием различных фракций нефтепродуктов (через 96 часов) Тест-отклики у Daphnia magna Straus наблюдались в диапазоне концентраций нефтепродуктов от 0,012 до 200 мг/дм3. В ходе исследований получены следующие результаты: 1. 100 %-ная реакция на воздействие токсиканта (всплытие на поверхность, вращение на поверхности на боку, судороги, нарушение дыхательных функций) в течение первого часа с момента постановки опыта наблюдались при следующих концентрациях поллютантов: К - 20 мг/дм3; О - 20 мг/дм3; Д - 2 мг/дм3; М - 0,045 мг/дм3. 2. 100 %-ная реакция на воздействие токсиканта (оседание на дно, судороги, нарушение дыхательных функций) в течение первого часа с момента постановки опыта наблюдались при концентрации бензина Б - 2 мг/дм3. 3. 100 %-ный летальный исход под воздействием токсиканта в течение 96 часов с момента постановки опыта наблюдался при следующих концентрациях поллютантов: Б - 20 мг/дм3; К - 20 мг/дм3; О - 20 мг/дм3; Д - 4 мг/дм3; М - 0,05 мг/дм3. 4. 50 %-ный летальный исход (летальная концентрация) под воздействием токсиканта в течение 96 часов с момента постановки опыта наблюдался при следующих концентрациях поллютантов: Б - 2 мг/дм3; К - 2 мг/дм3; О - 0,05 мг/дм3; Д - 0,25 мг/дм3; М - 0,025 мг/дм3. 5. 10 %-ный летальный исход (безопасная концентрация) под воздействием токсиканта в течение 96 часов с момента постановки опыта наблюдался при следующих концентрациях поллютантов: Б - 0,25 мг/дм3; К - 0,25 мг/дм3; О - 0,012 мг/дм3; Д - 0,025 мг/дм3; М - 0,012 мг/дм3. По результатам исследований максимальное воздействие на гидробионтов оказали наиболее тяжёлые масляные фракции нефтепродуктов. Заключение Анализ результатов исследований показал следующее: - тест-объект Daphnia magna Straus является чувствительным индикатором токсичности природной воды, чутко реагирует на наличие в воде нефтепродуктов различных фракций и массовых концентраций; - диапазон токсических концентраций нефтепродуктов, растворённых в природной воде, вызывающий 50 %-ную гибель тест-объекта Daphnia magna Straus: 0,041-0,411 мг/дм3; - диапазон токсических концентраций нефтепродуктов различных фракций, растворённых воде, вызывающий 50 %-ную гибель тест-объекта Daphnia magna Straus: 0,025-2 мг/дм3; - диапазон безопасных концентраций нефтепродуктов, растворённых в природной воде: не более 0,031-0,136 мг/дм3; - диапазон безопасных концентраций нефтепродуктов различных фракций, растворённых воде: не более 0,012-0,2 мг/дм3; - степень токсического воздействия, которое фракции нефтепродуктов оказывают на гидробионтов при равных показателях массовых концентраций поллютантов в воде, различна. Это проявляется в комплексе визуально наблюдаемых симптомов: в изменении рефлекторно-поведенческих реакций, прекращении питания, показателе летального исхода. По итогам сравнительного анализа результатов испытаний среди обследованных в 2013-2015 гг. водных объектов г. Астрахани было выделено 4 объекта, на которых были зафиксированы наиболее высокие превышения нормативного показателя по содержанию в природной воде растворённых нефтепродуктов (табл. 2). Таблица 2 Превышения ПДК по содержанию в природной воде растворённых нефтепродуктов Водный объект Участок загрязнения Месяц, год Превышение ПДК Рукав р. Бобёр В районе полуострова Пролетарский Июль 2014 г. В 125,6 раза Река Волга В районе улицы Капитана Краснова Октябрь 2014 г. В 84,6 раза Река Кизань - река Волга В районе поселка Советский Апрель 2015 г. В 84,3 раза Река Серебряная Воложка В районе переулка Рыбацкий Апрель 2015 г. В 66,2 раза Подтверждена эффективность использования метода биотестирования для углубленного изучения процессов влияния токсичности водной среды на гидробионтов на примере тест-объекта Daphnia magna Straus. Результаты исследований представляют интерес как пример применения биотестирования для изучения экологической обстановки на природных водных объектах и могут быть использованы в практике контроля природоохранных организаций.
1. Korpakova I. G., Afanas'ev D. F., Cybul'skiy I. E., Vinogradov A. Yu., Sazykina M. A., Cherednikov S. Yu. O probleme ocenki toksichnosti komponentov sredy metodami biologicheskogo testirovaniya // Voprosy rybolovstva. 2008. T. 9, № 4 (36). S. 839-846.
2. Zhmur N. S. Gosudarstvennyy i proizvodstvennyy kontrol' toksichnosti vod metodami biotestirovaniya v Rossii. M.: Mezhdunar. dom sotrudnichestva, 1997. 117 s.
3. Nel'son-Smit A. Neft' i ekologiya morya. M.: Progress, 1977. 299 s.
4. Antonova D. V. Analiz sorbentov, ispol'zuemyh pri likvidacii razlivov nefti i nefteproduktov // Sohranenie biologicheskih resursov Kaspiya. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Astrahan', 18-19 sentyabrya 2014 g.): materialy i dokl. Astrahan': Izd-vo AGTU, 2014. S. 112-118.
5. Cherkashin S. A. Otdel'nye aspekty vliyaniya uglevodorodov nefti na ryb i rakoobraznyh // Vestn. DVO RAN. 2005. № 3. S. 83-91.
6. Ob utverzhdenii normativov kachestva vody vodnyh ob'ektov rybohozyaystvennogo znacheniya, v tom chisle normativov predel'no dopustimyh koncentraciy vrednyh veschestv v vodah vodnyh ob'ektov rybohozyaystvennogo znacheniya: Prikaz Federal'nogo agentstva po rybolovstvu ot 18 yanvarya 2010 goda № 20. URL: http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/2070984/.
7. O vvedenii v deystvie GN 2.1.5.1315-03 (s izmeneniyami na 16 sentyabrya 2013 g. № 49): Postanovlenie Ministerstva zdravoohraneniya Rossiyskoy Federacii ot 30 aprelya 2003 g. № 78. URL: http://docs.cntd.ru/document/901862249.
8. Anufriev D. P., Boronina L. V. i dr. Obespechenie ekologicheskoy bezopasnosti Volzhsko-Kaspiyskogo basseyna. Sohranenie biologicheskih resursov Kaspiya // Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (Astrahan', 18-19 sentyabrya 2014 g.): materialy i dokl. Astrahan', Izd-vo AGTU, 2014. S. 118-123.
9. PND F 14.1:2.4.5-95. Metodika vypolneniya izmereniy massovoy koncentracii nefteproduktov v pit'evyh, poverhnostnyh i stochnyh vodah metodom IK-spektrometrii. M., 2011. URL: http://standartgost.ru/g/%D0%9F%D0%9D%D0%94_%D0%A4_14.1:2:4.5-95.
10. FR.1.39.2007.03222. Metodika opredeleniya toksichnosti vody i vodnyh vytyazhek iz pochv, osadkov stochnyh vod, othodov po smertnosti i izmeneniyu plodovitosti dafniy. M., 2007. URL: http://files.stroyinf.ru/data2/1/4293842/4293842234.htm.
