Загрязнение природных поверхностных вод алюминием во всем многообразии его минеральных форм является актуальной проблемой со многими нерешенными вопросами. В поверхностных водных объектах содержится в 10–20 раз больше соединений алюминия, чем в водах родников. Наиболее интенсивно насыщаются алюминием реки и ручьи экосистем с преобладанием торфянисто-подзолисто-глееватых почв. Концентрация токсичных соединений алюминия в поверхностных водах увеличивается при антропогенном подкислении [6]. Ранее нами было показано, что в водоемах вблизи комплекса химических предприятий при уровне рН, близком к нейтральному, обнаруживается концентрация алюминия, кратная 1,6–2,2 ПДК для культурно-бытовых вод, тогда как при подкислении среды среди прочих загрязняющих веществ, установлено загрязнение алюминием на уровне 8,5 ПДК [5].
Соединения алюминия попадают в природные воды естественным путем, при частичном растворении глин и алюмосиликатов, а также в результате вредных выбросов отдельных производств, с атмосферными осадками или сточными водами. Соли алюминия также широко используются в качестве коагулянтов в процессах водоподготовки для коммунальных нужд. Исследования показывают, что соединения алюминия в виде растворенных ионов могут оказывать влияние на живые организмы, в том числе и на человека.
Алюминий легко образует нерастворимые или биологически неактивные соединения, которые не могут проникнуть в клетки и ткани и практически безопасны для растений и животных. Кислотные дожди и содержащая кислоты пища высвобождают А13+ и его соединения из почвы в воду и продукты питания, где он становится доступным для живых организмов. Многие исследования ясно демонстрируют токсичность алюминия для человека, животных и растений [7, 10]. При закислении водных экосистем алюминий становится высокотоксичным и вызывает массовую гибель молоди рыб [4].
Для оценки качества природных вод биологическими методами необходимо ориентироваться в чувствительности применяемых тест-организмов к токсикантам. По результатам проведённых нами ранее экспериментов построен следующий ряд по уменьшению чувствительности к соединениям алюминия распространенных в биотестировании тест-объектов: инфузории Paramecium caudatum > бактерии тест-системы «Эколюм» Escherichia coli > одноклеточная водоросль хлорелла Сhlorella vulgaris > дафнии Daphnia magna [1]. Несмотря на относительно низкую чувствительность низших ракообразных к алюминию, дафнии дают возможность эффективно оценивать хроническое токсическое действие проб и присутствующих в них веществ.
Целью представленной работы стала сравнительная оценка чувствительности низших ракообразных Daphnia magna Straus и Ceriodaphnia affinis Lilljeborg к загрязнению в природных водах соединениями алюминия.
Материалы и методы исследования
В качестве тест-организмов выбрали низших ракообразных Daphnia magna и Ceriodaphnia affinis как распространенных, хорошо зарекомендовавших себя в практике биотестирования тест-культур. Показателем хронического токсического воздействия на рачков считается достоверное снижение плодовитости особей в опытных вариантах тестируемых вод по сравнению с контрольной средой, в которой длительное время обитает культура [8, 9].
Для достижения поставленной цели проведены модельные эксперименты по установлению хронического токсического действия природных вод, в которые введены добавки сульфата алюминия и хлорида алюминия. Сульфат-анионы и хлорид-анионы являются естественными составляющими большинства природных вод, поэтому предполагаем, что токсическое действие будет проявляться за счет алюминия и его образующихся водорастворимых форм. В природных водах алюминий присутствует в ионной, коллоидной и взвешенной формах. Миграционная способность невысокая. Образует довольно устойчивые комплексы, в том числе органо-минеральные, находящиеся в воде в растворенном или коллоидном состоянии [7].
Исследовались растворы с концентрациями ионов алюминия 5 ПДК и 10 ПДК. Предельно допустимая концентрация (ПДК) для вод хозяйственно-бытового назначения – 0,2 мг/л [2]. Приготовление исследуемых растворов производилось на питьевой воде централизованной системы водоснабжения (артезианская скважина). При химическом анализе данной воды в её составе не было обнаружено ионов алюминия (в диапазоне измерения от 0,04 до 0,56 мг/л). Контролем служила вода без добавок. Уровень рН тестируемых вод находился в диапазоне, оптимальном для рачков (7,2–7,8).
Результаты исследования и их обсуждение
Опыт по установлению хронического токсического действия проб с использованием дафний разных видов служит для глубокого, подробного исследования свойств тестируемых сред, а также установления характера действия токсикантов на гидробионтов. В процессе эксперимента отслеживается выживаемость особей, их плодовитость [8, 9]. Также можно фиксировать изменение морфологических признаков (двигательной активности, окраски, размера).
Полученные результаты отражены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Сравнение чувствительности D. magna и C. affinis к сульфату алюминия
|
№ п/п |
Вариант |
Плодовитость (кол-во особей на 1 самку) |
Смертность, % |
||
|
D. m. |
C. aff. |
D. m. |
C. aff. |
||
|
1 |
Контроль |
15 ± 0,9 |
38,6 ± 11,3 |
0 |
0 |
|
2 |
5 ПДК (Аl) |
4,6 ± 1,0* |
18,7 ± 9,5* |
66 |
51,6 |
|
3 |
10 ПДК (Аl) |
5,1 ± 2,3* |
16,0 ± 9,7* |
69,3 |
58,5 |
Примечание. Значения достоверно отличаются от контрольных по критерию Стьюдента.
По показателю гибели особей за период эксперимента все пробы оказались токсичными как для D. magna, так и для C. affinis: критерий токсичности в хронических экспериментах – гибель более 20 % особей. При этом в кратковременных опытах на установление острой токсичности критерий токсичности превышен не был. Вероятно, это связано с длительным проявлением токсических эффектов соединений алюминия за счет превалирования комплексных соединений над истинно растворенными формами.
В ходе исследования установлено, что отличия плодовитости рачков дафний и цериодафний в опытных вариантах по сравнению с контрольными достоверны, а не случайны, то есть пробы воды с концентрациями 5 ПДК (Аl3+) и 10 ПДК (Аl3+) оказывают хроническое токсическое действие на тест-организмы. При этом статистически достоверных отличий эффектов действия двух исследуемых доз на дафний и цериодафний не выявлено. Следовательно, низшие ракообразные чувствительны к присутствию соединений алюминия в водах, но эффекты на относительно невысокие превышения нормативов аналогичны.
Плодовитость D. magna была угнетена в 3 раза по сравнению с показателем в чистой воде, а для C. affinis в среднем в 2 раза. Гибель D. magna была примерно на 10 % выше, чем C. affinis, поэтому нельзя утверждать, что цериодафнии более чувствительны к алюминию.
Аналогичные эксперименты были проведены с модельными растворами хлорида алюминия (табл. 2).
Таблица 2
Сравнение чувствительности D. magna и C. affinis к хлориду алюминия
|
№ п/п |
Вариант |
Плодовитость (кол-во особей на 1 самку) |
Смертность, % |
||
|
D. m. |
C. aff. |
D. m. |
C. aff. |
||
|
1 |
Контроль |
15 ± 0,9 |
38,6 ± 11,3 |
0 |
0 |
|
2 |
5 ПДК (Аl) |
8,9 ± 1,0* |
17,1 ± 9,7* |
40,7 |
55,7 |
|
3 |
10 ПДК (Аl) |
8,3 ± 2,3* |
5,3 ± 4,1* |
44,6 |
86 |
Примечание. Значения достоверно отличаются от контрольных по критерию Стьюдента.
Как и в первом опыте, гибель дафний и цериодафний превысила 20 % на момент окончания эксперимента. Эффект воздействия хлорида алюминия на рачков выражался в снижении выживаемости, торможении роста и развития, угнетении функции размножения. Изменение морфофункционального состояния возможно использовать в качестве информативной тест-функции [3].
В биотесте с цериодафниями данные, полученные для вариантов 5 и 10 ПДК, значительно отличаются друг от друга. Действие хлорида алюминия достоверно усиливается с увеличением дозы. Под влиянием добавки 10 ПДК многие особи не оставляли потомства, что говорит о гонадотоксическом действии.
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. D. magna и C. affinis чувствительны к загрязнению вод соединениями алюминия, однако токсические эффекты проявляются в хронических экспериментах: угнетается плодовитость особей, увеличивается смертность взрослых особей, наблюдается уменьшение размеров тела.
2. Действие сульфата алюминия при 5 и 10 ПДК в расчете на металл проявляется аналогично, тогда как в экспериментах с хлоридом алюминия для C. affinis выявлены достоверные отличия влияния разных доз, поэтому цериодафнии более перспективны для оценки качества вод, потенциально загрязняемых соединениями алюминия.
3. Более короткий жизненный цикл C. affinis позволяет оперативнее получать результаты хронических токсикологических экспериментов.
4. D. magna оказались более чувствительны к сульфату алюминия, тогда как C. affinis – к хлориду алюминия. Вероятно, такая зависимость может изменяться в ответ на химический состав исследуемых вод.