Ecotoxicological assessment of waste and soil cover of anthropogenic polluted territories using biotest systems

Cover Page


Cite item

Abstract

The possibility of using various methods of biotesting together with chemical-analytical methods for the ecotoxicological assessment of waste from the oil industry (drilling sludge) and contaminated soil cover of objects of accumulated environmental damage located in the north-west of Russia is considered. Ecotoxicological studies by biotesting methods have been carried out using test organisms from different systematic groups. Conventional and proprietary biotesting methods were used. The proposed set of biotest systems for the purposes of environmental control of such objects along with chemical and analytical methods may increase the reliability of the research results.

Full Text

СОКРАЩЕНИЯ:

ПДК – предельно допустимая концентрация;

ОВОС – оценка воздействия на окружающую среду;

НИЦЭБ – Научно-исследовательский центр экологической безопасности;

МПР РФ – Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации;

РАН – Российская академия наук;

БШ – буровой шлам;

СП – Санитарные правила;

ПХБ – полихлорированные бифенилы;

ТБО – твердые бытовые отходы;

НЭУ – накопленный экологический ущерб.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время стало ясно, что для экологической оценки таких объектов как различные отходы, антропогенно загрязненный почвенный покров, осадки сточных вод, поверхностные и грунтовые воды, применение для установления наличия токсичных веществ только методов аналитической химии имеет ряд серьезных недостатков.

К ним относятся:

– недостаточное количество разработанных ПДК;

– невозможность учета кумулятивного токсического эффекта;

– появление новых токсичных веществ;

– высокая стоимость определения.

В связи с этим, в последнее время, наряду с химическими методами, при проведении экологической оценки и контроле состояния таких объектов применяют методы биотестирования [1].

Биотестирование – проводимый в лабораторных условиях вид биологического контроля объектов окружающей среды, основанный на измерении тест-реакции тест-организма (тест-культуры) к вредным факторам. Биотестирование токсичности объектов окружающей среды стало обязательным элементом программы ОВОС.

Биотестирование носит интегральный характер, т.к. суммирует действие всех токсикантов на объект, не выявляет конкретный токсикант. Но тем самым биотесты помогают дать полную оценку экологического риска.

Для методов биотестирования характерны:

– экспресность;

– доступность;

– простота эксперимента;

– экономичность;

– воспроизводимость и достоверность полученных результатов.

Тест-культура (тест-организм) – это лабораторная популяция особей, искусственно поддерживаемая в лабораторных условиях и используемая для оценки токсичности при биотестировании.

Лабораторные тест-организмы, часто используемые в аттестованных методиках:

– бактерии;

– простейшие, водоросли;

– ракообразные;

– рыбы;

– семена высших растений;

– клетки млекопитающих.

Используются методы биотестирования: элюатный (анализ водной вытяжки) и контактный (анализ твердого образца).

При применении методов биотестирования необходимо осуществить качественный переход от увеличения числа биотестов к стратегии научно-обоснованного выбора методов биотестирования и использования надежных стандартизированных биотест-систем на конкретных объектах [2].

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕСТ-ОРГАНИЗМОВ

Была проведена экотоксикологическая оценка шести буровых шламов (отходов нефтедобывающей промышленности) с помощью аттестованных методик контактного и элюатного биотестирования, в том числе разработанными в НИЦЭБ РАН, с использованием тест-организмов различного трофического уровня [3].

Биотестирование, проведенное на дафниях (рис. 1), показало, что водные вытяжки из всех проб буровых шламов не оказывали угнетающего действия на эти организмы [4].

 

Рис. 1. Дафнии / Fig. 1. Daphnia

 

Таким образом, согласно Приказу МПР РФ № 536, пробы проанализированных БШ являются нетоксичными и могут быть отнесены к V классу опасности отходов.

При биотестировании водных вытяжек из проб БШ с использованием в качестве тест-организма инфузорий (рис. 2) было выявлено, что БШ № 4 по результатам биотеста относится к IV классу опасности (мало- опасные) [5].

 

Рис. 2. Инфузория / Fig. 2. Infusoria

 

Результаты фитотестирования показали (рис. 3), что все БШ являются малоопасными, а БШ № 4 относится к умеренно опасным отходам (III класс). Таким образом, семена пшеницы оказались тест-культурой, более чувствительной к наличию загрязняющих веществ в буровых шламах [6].

 

Рис. 3. Фитотестирование / Fig. 3. Phytotesting

 

Испытание водных вытяжек буровых шламов на культуре клеток теплокровных in vitro была произведена на основе методики выполнения измерений индекса токсичности по изменению подвижности половых клеток млекопитающих с помощью видеоанализатора [7]. Индекс токсичности водных вытяжек находился в пределах установленного методикой диапазона, соответствующего оптимальной подвижности сперматозоидов (80%<Iт<120%), т.е. данный биотест показал безопасность этих вытяжек для клеток теплокровных животных. Таким образом, по результатам биотестирования на сперме быка, все БШ относятся к V классу опасности (не токсичные) согласно Постановлению №536 Минприроды или к IV классу опасности (малоопасные) согласно СП 2.1.7.1386-03 (табл. 1).

 

Табл. 1. Результаты биотестирования водных вытяжек из буровых шламов и отходов на сперме быка / Table 1. Results of biotesting of water extracts from drilling mud and waste on bull semen

№ пробы

Величина разведения вытяжки

Индекс токсичности Iт, %

Токсичность водной вытяжки

1

Без разведения

94,8

Не токсична

2

Без разведения

88,2

Не токсична

3

Без разведения

94,8

Не токсична

4

Без разведения

94,8

Не токсична

5

Без разведения

101,7

Не токсична

6

Без разведения

94,9

Не токсична

 

Следующий объект исследования – почвенный покров территории зоны влияния отвала промышленных отходов без инженерных средств защиты, расположенный на окраине п. Морозова во Всеволожском районе Ленинградской области (рис. 4). На объекте в течение 57 лет складировались отходы производства серной кислоты. Общий объем накопленных отходов составлял 120 тыс. тонн, высота – восемь метров. Общая площадь влияния – 6,7 гектара. Загрязнение распространяется по «розе ветров» и в растворимой форме с поверхностными и грунтовыми водами сносится в Ладожское озеро и к истокам р. Невы. Выбранные мониторинговые площадки располагались на шести разных участках территории влияния отвала.

 

Рис. 4. Вид отвала и территории / Fig. 4. View of the dump and the territory

 

Содержание органических токсикантов (полихлорированных бифенилов, нефтепродуктов, 3,4 бенз(а)- пирена) не превышало соответствующие нормативы и фон. Категория почв по суммарному загрязнению тяжелыми металлами была отнесена к умеренно опасной. Биотестирование было проведено с помощью тест-культуры хлореллы Chlorella vulgaris Beijer [8] (табл. 2).

 

Табл. 2. Результаты определения токсичности отвала и почв с использованием зеленых водорослей Chlorella vulgaris Beijer / Table 2. Results of determining the toxicity of the dump and soils using green algae Chlorella vulgaris Beijer

№ площадки

Глубина, см

Процентное отклонение

от контроля

Оценка токсичности водной вытяжки

1

0–5

+136

Оказывает

токсическое действие

5–20

+57

Оказывает

токсическое действие

2

0–5

-13

Не оказывает

токсическое действие

5–20

+5

Не оказывает

токсическое действие

3

0–5

+24

Не оказывает

токсическое действие

5–20

+10

Не оказывает

токсическое действие

4

0–5

+53

Оказывает

токсическое действие

5–20

+33

Оказывает

токсическое действие

5

0–5

-18

Не оказывает

токсическое действие

5–20

-15

Не оказывает

токсическое действие

6, отвал

0–5

+251

Оказывает

токсическое действие

5–20

+160

Оказывает

токсическое действие

7

0–5

-23

Не оказывает

токсическое действие

5–20

-12

Не оказывает

токсическое действие

 

Полученные с помощью инструментального экспресс-биотеста результаты элюатного биотестирования свидетельствовали о наличие токсичности в верхних горизонтах почвенного покрова на двух мониторинговых площадках, а также в отвале.

Таким образом, результаты выполненных с помощью предложенной биотест-системы токсикологических исследований показали, что она имеет хорошую чувствительность к присутствию водорастворимых токсикантов в почвенном покрове зоны влияния объекта накопленного экологического ущерба. Примененная биотест-система может быть использована для оценки риска распространения загрязнения при мониторинге экологического состояния почвенного покрова территории с долговременным размещением отходов и с кислой реакцией среды [9].

Следующий объект исследования являлся объектом вторичного накопленного ущерба. Исследовался почвогрунт карьера в Приневской низменности, рекультивированного с использованием суглинистого грунта и ТБО (рис. 5).

 

Рис. 5. Общий вид карьера / Fig. 5. General view of the quarry

 

Были использованы следующие наборы тест-организмов и методики биотестирования: инфузория туфелька (Paramecium caudatum) и дафнии (Daphnia magna Straus).

Химические анализы показали, что содержание органических токсикантов и тяжелых металлов в почвогрунте не превышало нормативы. Однако проведенное биотестирование водной вытяжки образцов почвогрунта выявило наличие острой токсичности на одной площадке (табл. 3). Наличие хронической токсичности водных вытяжек было выявлено на всех площадках [10].

 

Табл. 3. Результаты определения токсичности образцов почвогрунтов разными методами биотестирования / Table 3. Results of determining the toxicity of soil samples by different methods of biotesting

Площадка, глубина, см

  

Инфузории

Дафнии

 
 

Острая токсичность

Хроническая токсичность

1,0–5

нет токсичности

нет токсичности

токсичность

1,5–20

нет токсичности

нет токсичности

токсичность

2,0–5

нет токсичности

нет токсичности

токсичность

2,5–20

нет токсичности

нет токсичности

нет токсичности

3,0–5

токсичность

нет токсичности

токсичность

3,5–20

нет токсичности

нет токсичности

токсичность

 

Различные тест-культуры при биотестировании имеют неравную чувствительность к широкому спектру токсикантов, присутствующих в почвогрунте объекта НЭУ. Для выявления риска в экосистеме оценка токсичности должна осуществляться по наиболее чувствительному варианту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При формировании «блока» биотест-систем для экотоксикологической оценки отходов и почвенного покрова северо-западного региона, с учетом загрязнения их широким набором химических веществ, надо ориентироваться на применение стандартизированных методик элюатного и контактного биотестирования с использованием в качестве тест-организмов живых культур разных трофических уровней.

×

About the authors

Tamara V. Bardina

Saint Petersburg State Chemical Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation; Scientific Research Centre for Ecological Safety, Russian Academy of Sciences

Email: bardina.tamara@pharminnotech.com
SPIN-code: 5868-7923

Ph.D.  in Biology, Associate Professor of the Department of Industrial Ecology, senior researcher at the Laboratory of Methods of Rehabilitation of Technogenic Landscapes

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Alexandra G. Podboronova

Saint Petersburg State Chemical Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation; V. G. Khlopin Radium Institute

Email: podboronova.aleksandra@pharminnotech.com

Master Student, Engineer of the 2nd category, Laboratory of Complex Technologies for the Separation of Isotopes and Fission Products

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Lyudmila V. Sklyarova

Saint Petersburg State University of Chemistry and Pharmacy of the Ministry of Health of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: sklyarova.lyudmila@spcpu.ru

Master Student

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Terekhova V. A. Biotesting of Soil Ecotoxicity in Case of Chemical Contamination: Modern Approaches to Integration for Environmental Assessment (a Review). Pochvovedenie=Eurasian Soil Science. 2022;55(5):601-612. (In Russ.).
  2. Olkova A. S. Modern trends in the development of the methodology of bioassay aquatic environments. Theoretical and Applied Ecology. 2018;3:19–26. https://doi.org/10.25750/1995-4301-2018-3-019-026
  3. Kapelkina L. P., Bardina T. V., Chugunova M. V., et al. The Ecological Assessment of Petroleum Industry Wastes. Proceedings of the International Symposium “Engineering and Earth Sciences: Applied and Fundamental Research” dedicated to the 85th anniversary of H. I. Ibragimov (ISEES 2019). 2019;1:713–717. https://doi.org/10.2991/isees-19.2019.142
  4. FR.1.39.2007.03222. Metodika opredeleniya toksichnosti vody i vodnykh vytyazhek iz pochv, osadkov stochnykh vod, otkhodov po smertnosti i izmeneniyu plodovitosti dafniy. (In Russ.).
  5. PND F T 16.3.16-10 (red. 2015 g.) FR.1.39.2015.19244. Metodika opredeleniya toksichnosti otkhodov proizvodstva i potrebleniya ekspress-metodom s primeneniem pribora serii «Biotester». (In Russ.).
  6. FR. 1.39.2004.0106. Metodika opredeleniya klassa opasnosti burovykh shlamov. M-BSh-01-2004. (In Russ.).
  7. FR. 1.31.2009.06301. Metodika vypolneniya izmereniy indeksa toksichnosti pochv, pochvogruntov, vod i otkhodov po izmeneniyu podvizhnosti polovykh kletok mlekopitayushchikh in vitro. (In Russ.).
  8. PND F T 14.1:2:3:4. 10-04. Metodika izmereniya opticheskoy plotnosti kul’tury vodorosli khlorella (Chlorella vulgaris Beijer) dlya opredeleniya toksichnosti pit’evykh, presnykh prirodnykh i stochnykh vod, vodnykh vytyazhek iz gruntov, pochv, osadkov stochnykh vod i otkhodov proizvodstva i potrebleniya. (In Russ.).
  9. Bardina T. V., Chugunova M. V., Kulibaba V. V., et al. Ecotoxicological assessment of brownfield soil by bioassay. In: Advances in Understanding Soil Degradation. Springer International Publishing; 2022. P. 333-350. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-030-85682-3
  10. Bardina T. V., Chugunova M. V., Kulibaba V. V., et al. The use of biological testing approaches to assessing the ecological conditions of soils in a reclaimed surface mine. Biosfera=Biosphere. 2020;12(1-2):1-11. https://doi.org/10.24855/BIOSFERA.V12I1.539 (In Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Fig. 1. Daphnia

Download (1MB)
2. Fig. 2. Infusoria

Download (1MB)
3. Fig. 3. Phytotesting

Download (1MB)
4. Fig. 4. View of the dump and the territory

Download (2MB)
5. Fig. 5. General view of the quarry

Download (3MB)

Copyright (c) 2022 Bardina T.V., Podboronova A.G., Sklyarova L.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies