Биоиндикация экологического состояния (здоровья) прибрежных акваторий на основе использования автоматизированных биоэлектронных систем

Обложка
  • Авторы: Холодкевич С.В.1,2, Кузнецова Т.В.2, Kirin М.П.3, Смирнов И.С.1, Рудакова О.А.1, Lyubimtsev V.А.2, Манвелова А.Б.2, Суслопарова О.Н.4,2, Перелыгин В.В.5, Сахарова О.А.6
  • Учреждения:
    1. Институт наук о Земле, Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург, Россия
    2. Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН – обособленного подразделения Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук», Санкт-Петербург, Россия
    3. Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН», Севастополь, Россия
    4. Санкт-Петербургский филиал федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно- исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» им. Л.С. Берга
    5. Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации, Санкт-Петербург, Россия
    6. научно-производственная компания «Нефтехимэкопроект» Санкт-Петербург, Россия
  • Выпуск: Том 2, № 3 (2020)
  • Страницы: 64-73
  • Раздел: Биологические науки
  • URL: https://journals.eco-vector.com/PharmForm/article/view/46438
  • DOI: https://doi.org/10.17816/phf46438
  • ID: 46438


Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе приводятся данные, полученные при исследовании здоровья экосистем ряда рекреационных акваторий Черного моря и восточной части Финского залива. Оперативная оценка здоровья экосистем проводилась путем тестирования здоровья обитающих в них взрослых особей двустворчатых моллюсков методом функциональной нагрузки на основе анализа их кардиоритма, измеряемого с помощью волоконно-оптической биоэлектронной системы. Основная цель работы состояла в апробации разработанной ранее авторами, на основе этого метода, инновационной технологии биоиндикации в региональных программах экологического мониторинга состояния экосистем прибрежных морских и пресноводных рекреационных акваторий (на примере ряда акваторий г. Севастополя, а также нескольких пресноводных акваторий Курортного района Санкт-Петербурга, расположенных вдоль северного побережья восточной части Финского залива). Установлено, что функциональное состояние моллюсков может служить индикатором сверхнормативных загрязнений прибрежных вод объектами, сбрасывающими недостаточно очищенные стоки своих локальных очистных сооружений, в том числе, хозяйственно-бытовыми стоками. Использованная в работе технология оценки функционального состояния местных видов моллюсков может эффективно применяться для решения задач ранней диагностики состояния здоровья прибрежных водных экосистем и способствовать обеспечению экологической безопасности рекреационных акваторий, служа в качестве информационной основы для выработки научно-обоснованных природоохранных управленческих решений. С учетом достаточно высокой экспрессности и простоты применения использованной в работе технологии, не требующей привлечения специалистов высокой квалификации для ее практической реализации, данную технологию, по мнению авторов, можно рассматривать, как разработанную в России наилучшую доступную технологию биомониторинга качества вод рекреационных акваторий. Она может эффективно использоваться для решения задач ранней диагностики состояния прибрежных водных экосистем и служить информационной основой для выработки научно-обоснованных природоохранных управленческих решений.

 

Об авторах

Сергей Викторович Холодкевич

Институт наук о Земле, Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург, Россия; Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН – обособленного подразделения Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук», Санкт-Петербург, Россия

Автор, ответственный за переписку.
Email: kholodkevich@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7561-9743

Доктор технических наук, профессор кафедры экологической безопасности и устойчивого развития регионов, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией биоэлектронных методов геоэкологического мониторинга

Россия

Татьяна Владимировна Кузнецова

Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН – обособленного подразделения Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук», Санкт-Петербург, Россия

Email: kuznetsova_tv@bk.ru

канд. биол. наук, старший научный сотрудник лаборатории биоэлектронных методов геоэкологического мониторинга

Россия

Максим Петрович Kirin

Институт биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН», Севастополь, Россия

Email: kirinmaxim@mail.ru

ведущий инженер

Россия

Илья Сергеевич Смирнов

Институт наук о Земле, Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург, Россия

Email: smirnov.ilia1996@yandex.ru

магистрант

Россия

Ольга Александровна Рудакова

Институт наук о Земле, Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург, Россия

Email: lelya.rudakova.97@mail.ru

магистрант

Россия

Vasiliy Алексеевич Lyubimtsev

Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН – обособленного подразделения Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук», Санкт-Петербург, Россия

Email: lyubimcev55@mail.ru

канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник лаборатории биоэлектронных методов геоэкологического мониторинга

Россия

Александра Борисовна Манвелова

Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН – обособленного подразделения Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук», Санкт-Петербург, Россия

Email: abmanvelova@mail.ru

научный сотрудник лаборатории экономических проблем экологической безопасности  

Россия

Ольга Николаевна Суслопарова

Санкт-Петербургский филиал федерального государственного бюджетного научного учреждения «Всероссийский научно- исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» им. Л.С. Берга;
Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН – обособленного подразделения Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук», Санкт-Петербург, Россия

Email: olga_susloparova@mail.ru

канд. биол. наук, советник руководителя, ведущий научный сотрудник 

Россия

Владимир Вениаминович Перелыгин

Санкт-Петербургский государственный химико-фармацевтический университет Министерства здравоохранения Российской Федерации, Санкт-Петербург, Россия

Email: vladimir.pereligin@pharminnotech.com
ORCID iD: 0000-0002-0999-5644
SPIN-код: 3128-7451
ResearcherId: AAV-6556-2020

доктор медицинских наук,  профессор, заведующий кафедрой промышленной экологии

Россия, 197376, Россия,Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, д. 14,литер.А;

Ольга Алексеевна Сахарова

научно-производственная компания «Нефтехимэкопроект» Санкт-Петербург, Россия

Email: qprotempore@gmail.com

инженер-эколог

Россия

Список литературы

  1. Directive 2000/60/ЕС of the European Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework for Community action in the field of water policy. Official Journal of the European Communities [Internet]; 2000 [updated 2019 Dec 31; cited 2019 Dec 15]. Available from: http://ec.europa.eu/environment/water/water-framework/info/intro_en.htm.
  2. International Council for the Exploration of the Sea (ICES). Report of the Working Group on Biological Effects of Contaminants (WGBEC), 19-23 March 2007, Alessandria, Italy. Copenhagen: ICES; 2007.
  3. Depledge MH, Fossi MC. The role of biomarkers in environmental assessment (2). Inverte-brates. Ecotoxicol. 1994; 3 (3): 161-72. doi: 10.1007/BF00117081.
  4. Lehtonen K, Sundelin B, Lang T, Strand J. Development of tools for integrated monitoring and assessment of hazardous substances and their biological effects in the Baltic Sea. AMBIO. 2014; 43: 69-81.
  5. Turja R, Hoher N, Snoeijs P, et al. A multibiomarker approach to the assessment of pollution impacts in two Baltic Sea coastal areas in Sweden using caged mussels (Mytilus trossulus). Science of The Total Environment. 2014; 473-474: 398-409. doi: 10.1016/j.scitotenv.2013.12.038.
  6. Kholodkevich SV, Kuznetsova TV, Kurakin AS, et al. New methodological approach to express assessment of ecological state for the coastal sea waters. Izvestiya TINRO. 2018; 194: 215-38. doi: 10.26428/1606-9919-2018-194-215-238. (In Russ.)
  7. Depledge MH, Andersen BB. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. Comp. Biochem. Physiol. 1990; 96 (4): 473-7.
  8. Depledge MH, Aagaard A, Györkös P. Assessment of trace metal toxicity using molecular, physiological and behavioural biomarker. Mar. Pollut. Bull. 1995; 31 (13): 19-27.
  9. Bamber SD, Depledge MH. Responses of shore crabs to physiological challenges following exposure to selected environmental contaminants. Aquatic Toxicology. 1997; 40: 79-92.
  10. Kholodkevich SV, Ivanov AV, Kornienko EL, et al. Bioelectronic monitoring of surface waters. Measurements World. 2011; 10: 6-13. (In Russ.)
  11. Depledge MH, Galloway TS. Healthy animals, healthy ecosystems. Frontiers in Ecology and the Environment. 2005; 3 (5): 251-8.
  12. Kuznetsova TV, Kholodkevich SV. Comparative assessment of surface water quality through evaluation of physiological state of bioindicator species: searching new biomarkers. Proceedings of the 4th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO); 2015 June 14-18; Budva, Montenegro. IEEE, 2015; 339-44. doi: 10.1109/MECO.2015.7181938.
  13. Handy RD, Depledge MH. Physiological responses: Their measurement and use as environmental biomarkers in ecotoxicology. Ecotoxicology. 1999; 8 (5): 329-49. doi: 10.1023/A:1008930404461.
  14. Soldatov AA, Gostyukhina OL, Golovina IV. State of the antioxidant enzyme complex in tissues of the Black Sea mollusc Mytilus galloprovincialis Lam. under natural oxidative stress. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 2008; 44 (2): 150-5. (In Russ.)
  15. Kholodkevich SV, Kuznetsova TV, Lehtonen KK, et al. Experiences on ecological status assessment of the Gulf of Bothnia different sites based on cardiac activity biomarkers of caged mussels (Mytilus edulis). Proceedings of the ICES Annual Science Conference; 2011 Sept 19-23; Gdansk, Poland. Copenhagen: ICES, 2011.
  16. Kopecka J, Lehtonen KK, Baršiene J, et al. Measurements of biomarker levels in the flounder (Platichthys flesus) and blue mussel (Mytilus trossulus) from the Gulf of Gdansk (southern Baltic). Mar. Pollut. Bull. 2006; 53 (8-9): 406-21. doi: 10.1016/j.marpolbul.2006.03.008.
  17. Chuiko GM. Biomarkers in hydroecotoxicology: The principles, the techniques and methodology and the practice of use. Environmental monitoring. Part. 8. Modern problems in monitoring of freshwater ecosystems. Nizhny Novgorod: Nizhny Novgorod University Press, 2014; 310-26. (In Russ.)
  18. Klimova YS, Chuiko GM, Gapeeva MV, et al. The use of biomarkers of oxidative stress in zebra mussel Dreissena polymorpha (Pallas, 1771) for chronic anthropogenic pollution assessment of the Rybinsk Reservoir. Siberian Journal of Ecology. 2017; 24 (2): 210-7. doi: 10.15372/SEJ20170210. (In Russ.)
  19. Baevsky. RM, Berseneva AP. Assessment of the organism adaptational abilities and the risk of disease development. Moscow: Medicine, 1997. (In Russ.)
  20. Kuznetsova TV, Sladkova GV, Kholodkevich SV. Evaluation of functional state of crayfish Pontastacus leptodactylus Esch. in normal and toxic environment by characteristics of their cardiac activity and hemolymph biochemical parameters. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 2010; 46 (3): 203-10. (In Russ.)
  21. Kholodkevich SV, Ivanov AV, Trusevich VV, et al. Ecotoxicological biomarker for the bioindication of aquatic ecosystem states on the base of adaptive capacity assessment of bivalves. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine. 2012; 6: 138-42. (In Russ.)
  22. Kuznetsova TV. Change of salinity of medium as a functional loading in estimating physiological state of the crayfish Astacus leptodactylus. J. Evol. Biochem. Physiol. 2013; 49 (5): 498-502.
  23. Fedotov VP, Kholodkevich SV, Strochilo AG. Contractile activity of the crayfish heart with the new noninvasive method. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 2000; 36 (3): 219-22. (In Russ.)
  24. Kholodkevich SV, Kuznetsova TV, Trusevich VV, et al. Peculiarities of valve movement and of cardiac activity of the bivalve molluscs at various stress actions. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. 2009; 45 (4): 432-4. (In Russ.)
  25. Kuznetsova TV, Kholodkevich SV, Kurakin AS. Experience on ecological status assessment based on adaptive potential diagnostics in selected invertebrates of the Baltic Sea Sub-regions. Fundamentalnaya I Prikladnaya Gidrofizika, 2018; 11: 2; 75-85.
  26. Curtis TM, Williamson R, Depledge MH. Simultaneous, long-term monitoring of valve and cardiac activity in the blue mussel Mytilus edulis exposed to copper. Mar. Biol. 2000; 136: 837-46.
  27. Brown RJ, Galloway TS, Lowe D, et al. Differential sensitivity of three marine invertebrates to copper assessed using multiple biomarkers. Aquat. Toxicol. 2004; 66 (3): 267-78. doi: 10.1016/J.AQUATOX.2003.10.001.
  28. Fokina NN, Ruokolainen TR, Nemova NN, et al. Changes of blue mussels Mytilus edulis L. Lipid composition under cadmium and copper toxic effect. Biological Trace Element Research. 2013; 154 (2): 1-9. doi: 10.1007/s12011-013-9727-3.
  29. Bloxham MJ, Worsword PJ, Depledge MH. Integrative biological and chemical monitoring. Ecotoxicology. 1999; 8 (3): 225-37.
  30. Bakhmet IN, Fokina NN, Nefedova ZA, Nemova NN. Physiological-biochemical properties of blue mussel Mytilus edulis adaptation to oil contamination. Environ. Monit. Assess. 2009; 155 (1-4): 581-91. doi: 10.1007/s10661-008-0457-5.
  31. Kramer KJM, Foekema EM. The «Musselmonitor®» as biological early warning system – the first decade. Biomonitors and biomarkers as Indicators of Environmental Change 2. In: Butterworth FM, Gonsebatt-Bonaparte ME, Gunatilaka A, editors. New York: Kluwer Academic and Plenum Publishers, 2000; 59-87.
  32. Trusevich VV, Stolbov AY, Vyalova OYu, et al. Features of metabolism of the Black Sea mussels (Mytilus galloprovincialis Lam) from the different biotopes of the Karadag Reserve. Marine Ecological Journal. 2004; 1: 79-86. (In Russ.)
  33. Trusevich VV, Gaysky PV, Kuzmin KA, et al.Biomarkers of behavioural reactions of the Black Sea mussel for the automated biomonitoring of ecological state of water environment. Environmental Control Systems. 2015; 1 (21): 13-8. (In Russ.)
  34. Borcherding J. Ten years of practical experience with the Dreissena-Monitor, a biological early warning system for continuous water quality monitoring. Hydrobiologia. 2006; 556 (1): 417-26.
  35. Kholodkevich SV, Kurakin AS, Kornienko EL, et al. Bioindication of a condition of water ecosystems based on the assessment of biomarkers of cardiac activity in benthic invertebrates. Modern problems of aquatic ecology. Proceedings of the 4th International Scientific Conference to commemorate Professor G.G. Winberg; 2010 Oct 11-15; Saint Petersburg, Russia. Zoological Institute, Russian Academy of Sciences: 2010; 198. (In Russ.)
  36. Kholodkevich SV, Sharov AN, Chuko GM, et al. Quality Assessment of Freshwater Ecosystems by the Functional State of Bivalved Mollusks. Water Resources. 2019; 46 (2): 214-24. (In Russ.)
  37. Kholodkevich SV. Monitoring of ecological safety state of recreation aquatories in the Crimea (prospectives of development). Pollution of marine environment: ecological monitoring, bioassay, standardization. Proceedings of the Russian scientific conference with international participation devoted to 125th anniversary of prof. V.A. Vodyanitsky; 2018 May 28 – June 1; Sevastopol, Russia. Sevastopol: Colorit, 2018; 275-279. (In Russ.)
  38. Kholodkevich S, Sharov A, Nikoli´c M, et al. Bioindication of Aquatic Ecosystems on the Base of the Assessment of Functional State of Freshwater Bivalve Mollusks Biomarkers. Proceedings of the 4th Mediterranean Conference on Embedded Computing, (MECO); 2015 June 14-18; Budva, Montenegro. IEEE, 2015; 345-8.
  39. Kholodkevich S, Sharov A, Kuznetsova T, et al. Physiological testing of Mytilus galloprovincialis for the environmental assessing of coastal marine areas: a case study in Boka Kotorska Bay (the Adriatic Sea). Chemistry and Ecology. 2019; 35 (7): 631-643. doi: 10.1080/02757540.2019.1618282.
  40. Kholodkevich S, Kuznetsova TV, Sharov AN, et al. Applicability of bioelectronic cardiac monitoring system for the detection of biological effects of pollution in bioindicator species in the Gulf of Finland. Journal of Marine Systems. 2017; 171: 151-8. doi: 10.1016/j.jmarsys.2016.12.005.
  41. Nikolic M, Kuznetsova T, Kholodkevich S, et al. Cardiac activity in the Mediterranean mussel (Mytilus galloprovincialis, Lamarck, 1819) as a biomarker for assessing sea water quality in Boka Kotorska Bay, South Adriatic Sea. Mediterranean Marine Science. 2019; 20 (4): 680-7. doi: 10.12681/mms.18119.
  42. Zarykhta VV, Zhang Z, Kholodkevich SV, et al. Comprehensive assessments of ecological states of Songhua River using chemical analysis and bivalves as bioindicators. Environmental Science and Pollution Research. 2019; 26 (32): 33341-50. doi: 10.1007/s11356-019-06349-7.
  43. Order of the Ministry of Agriculture of the Russian Federation of December 13, 2016 No. 552 “About approval of the water quality standards for water bodies of fishery significance, including the standards for maximum permissible concentrations of harmful substances in the waters of water bodies of fishery significance.” (In Russ.)
  44. Kholodkevich SV, Sharov AN, Kuznetsova TV. Perspectives and problems of application of bioelectronic systems for monitoring of environmental safety state in the Gulf of Finland. Regional Ecology. 2015; 2 (37): 16-26. (In Russ.)
  45. Kholodkevich SV, Ivanov AV, Kurakin AS, et al. Real time biomonitoring of surface water toxicity level at water supply stations. Journal of Environmental Bioindicators. 2008; 3 (1): 23-34.
  46. Kholodkevich SV, Ivanov AV, Kornienko EL, Kurakin AS, inventors. Method of biological environment monitoring (versions) and a system for realization thereof. EU Patent No. 012479, 2012.
  47. Kholodkevich SV, Ivanov AV, Kornienko EL, Kurakin AS, inventors. Method of biological environment monitoring (versions) and a system for realization thereof. US Patent No. 8442809, 2013.
  48. E-Ecolog [Internet]. Available from: https://e-ecolog.ru/.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Холодкевич С.В., Кузнецова Т.В., Kirin М.П., Смирнов И.С., Рудакова О.А., Lyubimtsev V.А., Манвелова А.Б., Суслопарова О.Н., Перелыгин В.В., Сахарова О.А., 2020

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 76969 от 11.10.2019. 


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах