Патент на изобретение №2358264

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ КОНТАКТНОЙ ЗОНЫ “ГРУНТ-ВОДА”

(57) Реферат:

Изобретение относится к водной токсикологии и может быть использовано для оценки качества природных вод. Способ предусматривает следующее. Подготавливают пробы с контрольной средой, опытной, в качестве которой отбирают пробу с придонным слоем тестируемой воды и дополнительную пробу с экстрактом грунта, приготовленным на придонной воде и отфильтрованным от его частиц, содержащих суспензию микроводорослей. Помещают в эти пробы беспозвоночных фильтраторов. Выдерживают их. Регистрируют параметры, характеризующие фильтрационную активность беспозвоночных фильтраторов. Сравнивают полученные данные. Судят о токсичности контактной зоны «грунт-вода» на основании измерения тест-показателя Ad, рассчитываемого по формуле:

При этом при отрицательных показателях Ad делают вывод о токсичности контактной зоны «грунт-вода». Изобретение позволяет повысить точность и информативность определения токсичности водной системы. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к водной токсикологии и рыбному хозяйству и может быть использовано для оценки качества природных вод.

Известен способ определения мутагенной активности донных отложений [1], в котором пробы донных отложений смешивают с экстрагентом, отстаивают суспензию и исследуют в тесте Эймса.

В известном способе определение токсичности ведется только в донных отложениях, при этом не учитывается непрерывный адсорбционно-десорбционный контакт грунта с водной средой.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ оценки токсичности водной среды с помощью биотестирования [2], включающий внесение беспозвоночных фильтраторов в опытную и контрольную среду с суспензией микроводорослей, выдерживание их, регистрацию параметра, характеризующего трофическую активность фильтраторов, и при отличии опытных данных от контрольных определение исследуемой воды как токсичной.

В известном способе проводится тестирование воды. При этом не учитывается токсичность грунта, а также не учитывается непрерывный адсорбционно-десорбционный контакт грунта с водной средой.

Недостатком известных способов является их недостаточная полнота, т.к. для исследования динамики поллютантов между водой и грунтом и соответственно более полного экологического контроля состояния водоемов, кроме отдельного тестирования грунта или воды, необходима дополнительная оценка уровня загрязненности контактной зоны “грунт-вода”.

Задачей изобретения является дополнительная интегральная характеристика загрязненности экосистемы путем тестирования контактной зоны «грунт-вода».

Техническим результатом предлагаемого изобретения является более полноценная оценка токсичности экосистемы.

Это достигается тем, что в способе определения токсичности контактной зоны «грунт-вода», включающем помещение беспозвоночных фильтраторов в пробы с контрольной и опытной средой, содержащих суспензию микроводорослей, выдерживание их, регистрацию параметра, характеризующего фильтрационную активность беспозвоночных фильтраторов, и отнесение к токсичной исследуемой среды в случае отличия опытных данных от контрольных, согласно изобретению в качестве опытной среды отбирают пробу с придонным слоем тестируемой воды и дополнительно пробу с экстрактом грунта, приготовленным на его придонной воде и отфильтрованным от его частиц, а о токсичности контактной зоны «грунт-вода» судят на основании измерения тест-показателя Ad по формуле

где Ad – тест-показатель адсорбционной активности грунта (донных осадков), %;

Fв – скорость фильтрации фильтраторами суспензии микроводорослей в тестируемой придонной воде, мл/экз.·час;

Fэкст. – скорость фильтрации фильтраторами суспензии микроводорослей в экстракте грунта, приготовленном на придонном слое (без частиц), мл/экз.·час;

Fk – скорость фильтрации фильтраторами суспензии микроводорослей в чистой воде (контроль), мл/экз.·час;

При этом скорости фильтрации: Fэкст., Fв, Fk – рассчитывают по формуле:

где F – скорость фильтрации, мл/экз.·час;

Со – исходная концентрация микроводорослей, кл/мл;

Ct – концентрация микроводорослей после часовой экспозиции, кл/мл;

V – объем фильтруемой жидкости, мл.

N – количество фильтраторов, экз.

t – время экспозиции, мин.

Предлагаемый способ основан на способности частиц грунта адсорбировать на своей поверхности вещества различной природы, в том числе поллютанты, переводя их из жидкой фазы экотопа в твердую и наоборот. Чистый грунт полнее забирает (адсорбирует) из воды токсиканты, чем грязный. Разные типы грунтов (илистый, ракушечный) обладают разной сорбционной и десорбционной способностью. Но во всех случаях происходит снижение токсичности водной среды, причем, чем чище грунт, тем интенсивнее происходит сорбция поллютантов контактной зоной из воды.

При взмучивании грунта в результате, например, шторма или движения донных организмов меняется сорбционно-десорбционное равновесие между водой и грунтом, которое зависит от площади поверхности и количества взмученных частиц грунта.

В качестве тест-показателя уровня загрязненности зоны “грунт-вода” предлагается использовать адсорбционную активность донных осадков, которая определяет самоочистительную емкость контактной зоны и при отсутствии загрязнения составляет константную величину.

Адсорбционная активность грунта может определяться по разности степени токсичности водной среды до и после контакта с грунтом. В качестве вспомогательного (промежуточного) показателя токсичности используется скорость фильтрации одноклеточных водорослей фильтраторами, например моллюсками, в исходной тестируемой воде и в экстракте грунта, отфильтрованном от его частиц (для моллюска скорость фильтрации является показателем функционального состояния организма, который реагирует на изменение качества водной среды и предшествует гибели организма).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется примерами.

Для контрольного и каждого опытного примера заполняют по 6 закрывающихся стеклянных емкостей объемом не менее 200 мл.

Склянки 1 и 2 заполняют чистой контрольной водой (контроль).

Склянки 3, 4 заполняют тестируемой придонной водой контактной зоны, отобранной в одной точке с грунтом.

Склянки 5, 6 заполняют тестируемой придонной водой с экстрактом тестируемого грунта (в соотношении не менее 10:1), взмученным и диспергированным после 30-минутного встряхивания с частотой 150-200 колебаний в минуту и затем полностью отфильтрованным от твердых частиц. Во все емкости вносят микроводоросли в качестве объектов фильтрации до создания их плотности не менее 500-600 т.кл./мл, достаточной для достоверности расчетов и являющейся оптимальной для фильтрации моллюсками при нормальных условиях (t=20°С, кислород ~ 7 мг/л) и солености от 12 до 18 промилле (соленость Азовского и Черного морей).

Затем во все емкости помещают в качестве беспозвоночных фильтраторов по 1 экземпляру одноразмерных и одинаковых по массе пластинчато-жаберных моллюсков, например мидию или митилястра.

Адсорбционная активность донных осадков определяется после 1 часа экспозиции по изменению скорости фильтрации твердых частиц моллюсками в емкостях с контрольной, тестируемой водой, с экстрактом грунта, отфильтрованным от его частиц.

Расчет ведется по формулам (1), (2).

Для контроля брали придонную воду и грунт из одной точки относительно чистого участка Азовского моря. Тестируемая придонная вода в эксперименте оценена методом, взятым в качестве прототипа, как слабо токсичная, с отклонением от контроля всего на – 24,8%, а грунт оценен, как чистый.

Для проверки предлагаемой методики искусственно загрязняли имеющийся грунт нефтью в двух концентрациях – 0,1 и 1,0 г/кг грунта.

Пример 1. В склянки 1, 2 было налито по 200 мл чистой морской воды без грунта и внесена в качестве объекта фильтрации из расчета 500-600 т.кл./мл культура микроводоросли Scenedesmus obliquus, адаптированной к морской воде и сконцентрированной на фильтре.

В склянки 3, 4 была внесена тестируемая морская вода, отобранная в точке контакта с грунтом.

В склянки 5-6 была внесена тестируемая морская вода с экстрактом грунта, отфильтрованным от его частиц.

Во все склянки была внесена культура микроводоросли Scenedesmus obliquus из расчета 500-600 т.кл./мл, а также по 1 экземпляру одноразмерных мидий. После часовой экспозиции определяли концентрацию водорослей в склянках 2, 4, 6 и по формуле (2) вычисляли скорость фильтрации микроводорослей фильтратором в емкостях с контрольной, тестируемой водой, с экстрактом грунта отфильтрованным от его частиц. Адсорбционную активность донных осадков (Ad) определяли по разнице между отклонением от контроля скорости фильтрации моллюсками тестируемой воды до и после ее контакта с грунтом в процессе диспергирования и рассчитывали по формулам (1). Данные приведены в таблице 1.

Пример 2. В морской грунт была внесена в качестве токсиканта сырая нефть в количестве 0,1 г/кг.

В склянки 1, 2 вносилась чистая морская вода; 3, 4 – тестируемая. В склянки 5-6 вносился экстракт грунта, затравленный нефтью, в концентрации 0,1 г/кг, и отфильтрованный от его частиц. Затем в эти склянки внесена культура микроводоросли Scenedesmus obliquus из расчета 500-600 т.кл./мл.

Во все склянки вносили по 1 экземпляру одноразмерных мидий.

После 1 часа экспозиции по формулам (2) вычисляли скорости фильтрации мидиями микроводорослей. Адсорбционную активность донных осадков (Ad) определяли после 1 часа экспозиции по разнице между отклонением от контроля скорости фильтрации моллюсками тестируемой воды до и после ее контакта с грунтом в процессе диспергирования и рассчитывали по формуле (1). Данные приведены в таблице 1.

Пример 3. Аналогично второму опыту в морской грунт была внесена в качестве токсиканта сырая нефть в количестве – 1,0 г/кг.

Внесение воды в склянки 1, 2, 3 и 4 осталось без изменений.

В склянки 5-6 внесен экстракт грунта, затравленного нефтью в количестве 1,0 г/кг, отфильтрованный от его частиц. Затем в эти склянки внесена культура микроводоросли Scenedesmus obliquus из расчета 500-600 т.кл./мл.

Во все склянки вносили по 1 экземпляру одноразмерных мидий.

После 1 часа экспозиции по формуле (2) вычисляли скорость фильтрации мидиями микроводорослей в склянках 2, 4, 6. По полученным данным по формуле (1) определяли адсорбционную активность (Ad) контактной зоны. Данные этих опытов даны в таблице 1.

Таблица 1
Опыты,	Концентрация нефти в грунте, г/кг	Скорость фильтрации мл/экз.·час	Адсорбционная активность контактной зоны, %
Fk	Fв	Fэкстр.	Ad
1 2 3	0,0 0,1 1,0	35,0	26,3 26,3 26,3	28,0 22,7 18,5	+20% -40% -89%

Как видно из таблицы, значения Fk и Fв во всех опытах не менялись, (вода не подвергалась искусственному загрязнению) и данные оставались одними и теми же: Fk – 35,0 мл/экз.·час, Fв – 26,3 мл/экз.·час. Адсорбционная активность незагрязненного грунта составила +20% и снижалась с увеличением концентрации вносимых в грунт нефти со значением показателя в концентрации нефти 0,1 г/кг – (-40%), в концентрации 1,0 г/кг – (-89%). Последняя цифра может рассматриваться как сильная или острая токсичность, регистрируемая уже в первые часы.

При этом положительное значение показателя Ad (адсорбционной активности) указывает на то, что контактная зона чистого грунта адсорбирует поллютанты из воды после диспергирования, в результате чего вода становится чище и беспозвоночные фильтраторы, например мидии, начинают фильтровать воду на 20% быстрее. Отрицательное значение показателя Ad указывает на то, что в результате чрезмерной загрязненности контактной зоны поллютанты при диспергировании из грунта переходят в воду, повышая ее токсичность, измеряемую фильтрационной активностью мидий, в результате чего этот физиологический параметр снижается.

Полученные в эксперименте данные позволяют использовать значения предлагаемого тест-показателя Ad для оценки уровня загрязнения контактной зоны “грунт-вода” в водных экосистемах различного типа, и при контроле водных экосистем этот тест-показатель можно использовать, как дополнительный параметр экологического состояния водоемов.

Использованные источники

1. Авт.свид. 1835924, МКИ G01N 33/24.

2. Авт.свид. 1784915, МПК G01N 33/18 (прототип).

Формула изобретения

Способ определения токсичности контактной зоны «грунт-вода», включающий помещение беспозвоночных фильтраторов в пробы с контрольной и опытной средой, содержащие суспензию микроводорослей, выдерживание их, регистрацию параметра, характеризующего фильтрационную активность беспозвоночных фильтраторов, сравнение опытных данных и отнесение исследуемой среды к токсичной в случае отличия опытных данных от контрольных, отличающийся тем, что в качестве опытной среды отбирают пробу с придонным слоем тестируемой воды и дополнительно пробу с экстрактом грунта, приготовленным на придонной воде и отфильтрованным от его частиц, и о токсичности контактной зоны «грунт-вода» судят на основании измерения тест-показателя Ad по формуле

где Ad – тест-показатель адсорбционной активности грунта (донных осадков), %;
Fв – скорость фильтрации фильтраторами суспензии микроводорослей в тестируемой придонной воде, мл/экз.·ч;
Fэкст – скорость фильтрации фильтраторами суспензии микроводорослей в экстракте грунта (без частиц), мл/экз.·ч;
Fк – скорость фильтрации фильтраторами суспензии микроводорослей в чистой воде (контроль), мл/экз.·ч;
где скорость фильтрации: Fэкст, Fв, Fк рассчитывают по формуле

где F – скорость фильтрации, мл/экз.·ч;
Со – исходная концентрация микроводорослей, кл/мл;
Ct – концентрация микроводорослей после часовой экспозиции, кл/мл;
V – объем фильтруемой жидкости, мл;
N – количество фильтраторов, экз.;
t – время экспозиции, мин,
при этом при отрицательных показателях Ad делают вывод о токсичности контактной зоны «грунт-вода».