Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
Кафедра прикладной экологии
Направление
подготовки бакалавра: 022000.62 - Экология и природопользование
биотестирование дафния плавание токсикант
Использование фрактального анализа плавательной активности Daphnia Magna для оценки токсичности
Курсовая
работа
студента 3 курса
ПЕТРОВА ВЕРА МИХАЙЛОВНА
Научный руководитель
к.г.н., доцент кафедры прикладной экологии
О.В. Никитин
Казань
- 2015
РЕФЕРАТ
Курсовая работа - 26 с., 7 рисунков, 21 ссылка на цитированную литературу.
Ключевые слова: биотестирование, фрактальная размерность, Daphnia, плавательная активность, эсфенавалерат.
Объект исследования: плавательная активность Daphnia magna.
Цель работы - оценить возможность использования фрактального анализа траектории плавания Daphnia magna для оценки токсичности.
В ходе работы было произведено 10 измерений плавательной активности Dapnia magna с использованием прибора «ТrackTox»: 5 контрольных проб и 5 с добавлением пестицида эсфенвалерат в концентрации 0,3 мкг/л. С помощью метода подсчета клеток было установлено, что траектория плавания дафний действительно имеет фрактальный характер.
При внесении дафний в среду с токсикантом -
пестицидом эсфенвалератом в концентрации 0,003 мг/л, изменяется фрактальная
размерность плавательной траектории, которая статистически значимо увеличивается.
Это изменение можно использовать в качестве тест-реакции в водной токсикологии.
ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие всех отраслей промышленности, энергетики, транспорта, увеличение численности населения, урбанизация и химизация всех сред деятельности человека приводят к нарушению и загрязнению биосферы, ее отдельных компонентов [6].
Загрязнение водной среды является одной из наиболее актуальных экологических проблем. Для оценки степени антропогенного воздействия водной экосистемы наряду с методами химического анализа используют биотестирование как интегральный показатель токсического загрязнения среды.
Биотестирование - процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций тест-объектов.
Биотестирование основано на регистрации изменений биологически значимых показателей (тест-функций) исследуемых тест-объектов с последующим определением их состояния в соответствии с выбранным показателем токсичности.
В качестве тест-объектов в водной токсикологии широко используются планктонные ветвистоусые ракообразные (Cladocera), в частности дафнии (лат. Daphnia). Это связано с тем, что они без особых трудностей выращиваются в лабораторных условиях, довольно устойчивы при культивировании, имеют короткий жизненный цикл, позволяющий отслеживать последствия токсического воздействия (в малых концентрациях) на протяжении ряда поколений.
Наиболее универсальным тест-объектом по чувствительности и адекватности реагирования на различные токсиканты признан вид дафний - Daphnia magna Straus.
Большинство методов биотестирования с использованием дафний основывается на регистрации их смертности под воздействием загрязняющих веществ. Но еще до гибели тест-объектов токсиканты влияют на изменение их поведенческой активности. Под воздействием загрязняющих веществ у дафнии наблюдается либо резкое повышение двигательной активности, либо наоборот замедление. Таким образом фиксирование изменения плавательной активности дафний позволяет на ранней стадии определить токсичность воды.
Было сделано предположение, что оценить токсичность можно не только по изменению скорости плавания дафний, но и по форме ее траектории, а также, что траектория плавания дафнии является фрактальной структурой, которая изменяется при внесении токсиканта.
В связи с вышесказанным, цель данной работы - оценить возможность использования фрактального анализа траектории плавания Daphnia magna для оценки токсичности.
Для достижения указанной цели были сформулированы следующие задачи:
. Освоить методику культивирования ветвистоусых ракообразных.
. Доказать фрактальный характер плавания Daphnia magna.
. Оценить изменения характера
плавательной активности дафний при внесении токсиканта при помощи фрактального
анализа.
. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
.1 Биотестирование как интегральный способ
оценки окружающей среды
Окружающая среда подвергается воздействию огромного количества загрязняющих веществ, особенно в областях с высокой антропогенной нагрузкой. Поэтому жизненно важно проводить мероприятия по оценке состояния окружающей среды, по контролю качества ее объектов.
Под экологическим качеством среды обитания человека понимают интегральную характеристику природной среды, обеспечивающую сохранение здоровья и комфортное проживание человека [10].
В настоящее время чаще всего используются физические и химические методы экологического контроля. Они целиком себя оправдывают, но не дают полной картины биологической опасности того или иного водного объекта [1]. Физико-химические методы позволяют узнать о количественном содержании тех или иных загрязняющих веществ в окружающей среде, но на практике чаще всего необходимо знать не уровни загрязнения тем или иным поллютантом водной среды, а вызванные ими биологические эффекты в экосистемах [8]. К тому же не всегда удается обнаружить неустойчивые соединения или количественно определить ультрамалые концентрации загрязняющих веществ. Существует высокая вероятность, что в воде остается какое-то количество неиндентифицированных веществ из-за различных технических или финансовых причин. Также можно выделить следующие недостатки использования только физических и химических методов экологического контроля:
ПДК разрабатывались из расчета действия каждого токсиканта отдельно от других. Давая заключение на основе содержания в исследуемой пробе приоритетных загрязнителей, аналитик может констатировать только превышение их содержания величины ПДК. При этом, как подействует на экосистему сочетание всех вредных элементов никто не может сказать;
разработка нормативов ПДК, ПДС и т.д. требуют большого количества экспериментов, т.е. больших затрат времени и денег. Это не позволяет оперативно разрабатывать нормативы для новых веществ и их производных. Из-за этого синтез новых веществ и материалов и применение их в промышленности затрудняется;
последнее время происходит активное развитие нанотехнологий. С точки зрения химического состава сами вещества не изменились, уменьшились лишь размеры частиц и изменилась их форма. При этом наночастицы имеют отличные от нормального состояния вещества физические свойства, могут проникать через кожные покровы и мембраны клеток.
В связи с этим встал вопрос о необходимости метода, который позволит получать данные о возможном неблагоприятном токсическом действии как обнаруженных, так и неиндентифицированных вредных веществ, присутствующих в окружающей среде [3]. С этой целью с начала 80 гг. XX века (в России с конца XX века) широкое применение нашли методы биотестирования на тест-объектах.
Биотестирование - процедура установления токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций тест-объектов [2].
Биотестирование является частью биологического мониторинга, который предназначен для решения следующих основных задач [по Пашкевичу]:
Информационное обеспечение деятельности по сохранению биоты.
Оценка состояния окружающей среды по биотическим параметрам.
Исследование содержания различных ингредиентов в биоте.
Таким образом, нужно отметить, что определение и идентификация токсикантов не является задачей биотестирования. Оно является интегральной (общей) оценкой качества окружающей среды, т. е. оценкой токсического влияния компонентов среды на обитающих в них организмов.
Начиная с 80-х годов прошлого столетия, в ряде развитых стран дальнего (США, Канада, Франция, Германия и др.) и ближнего (Российская Федерация, Латвия, Литва, Эстония, Казахстан и др.) зарубежья биотестирование стало применяться в природоохранной практике наряду с химическими методами. В нашей стране долгое время широкое распространение методов биотестирования сдерживалось отсутствием нормативно-правовых документов, регламентов токсикологического контроля и простых удобных методических руководств, пригодных для использования в условиях промышленных предприятий [5].
Биотестирование основано на регистрации изменений биологически значимых показателей (тест-функций) исследуемых тест-объектов с последующим определением их состояния в соответствии с выбранным показателем токсичности. Чаще всего используются следующие тест-функции - выживаемость, размножение, плодовитость, скорость передвижения, дыхание, показатель крови и другие. В качестве тест-объектов наиболее часто применяются водоросли, фитопланктон, высшие растения, дафнии, моллюски, рыбы и другие организмы. Тест-объекты должны отвечать следующим требованиям:
. Высокая чувствительность к воздействиям даже малых доз мутагена.
. Быстрота и экономичность методов тестирования.
. Воспроизводимость (возможность получения аналогичных результатов на этой же тест-системе).
. Чувствительность не только к мутагенам, но и к их метаболитам [7].
К методам биотестирования также предъявляется ряд требований. Они должны быть применимыми для оценки любых экологических изменений среды обитания живых организмов; характеризовать наиболее общие и важные параметры жизнедеятельности биоты; быть достаточно чувствительными для определения даже начальных обратимых экологических изменений; быть адекватными для любого вида живых существ и любого типа воздействия; быть удобными не только для лабораторного моделирования, но также для исследований в природе; быть достаточно простыми и не слишком дорогостоящими для широкого использования [10].
Методы биотестирования просты, относительно недороги, пригодны для широкого применения и дают возможность оценивать качества природной среды при всем многообразии экологических изменений.
Среди возможностей применения подходов
биотестирования следует отметить их пригодность в мониторинге районов с
интенсивным развитием промышленности и сельского хозяйства. Кроме того,
биотестирование позволяет провести беглое сканирование больших пространств в
целях ранней диагностики экологических нарушений [10].
.2 Биотестирование водных объектов
Биотестирование используется для оценки качества атмосферного воздуха, почв и др., но наиболее широкое применение оно нашло в оценке качества вод, так как роль пресных вод в жизни планеты и человека переоценить невозможно. Именно эта великая роль и способствует тому, что все без исключения водоемы водотоки испытывают весьма значительный антропогенный пресс. Он выражается в воздействии точечных и рассеянных источников загрязнения, изменении морфометрии, гидрологического и химического режима пресноводных экосистем. Вода, приобретающая токсические свойства, угрожает не только населению пресноводных экосистем, но и здоровью людей. Поэтому среди экологических проблем для большинства стран мира ключевыми являются загрязнение водных объектов и дефицит чистой, биологически полноценной воды [9].
Качество воды - это характеристика состава и свойств воды, определяющая пригодность ее для конкретных видов водопользования. С помощью методов биотестирования определяется токсичность водных объектов, предельно допустимые концентрации (ПДК) новых химических соединений, производят биохимический и генотоксический мониторинг водоемов.
Исследования в области разработки и использования метода биотестирования в водоохранной практике проводились во многих научно исследовательских и учебных институтах [9]. В 1990 г было создано и утверждено «Методическое руководство по биотестированию воды». В нем были описаны методики с использованием различных тест-объектов (ракообразные, рыбы и др.) [11].
Методы биотестирования по определению токсичности сточных и природных, пресных вод, донных отложений применяются наряду с физико- химическими методами в следующих случаях:
при установлении нормативных требований к качеству вод;
проведении экологического контроля за соблюдением нормативов допустимых сбросов химических веществ в водные объекты и нормативов допустимых воздействий хозяйственной и иной деятельности на водные объекты;