Видовой состав, динамика численности и токсичность цианобактерий шершневского водохранилища челябинской области
На правах рукописи
Гаврилова Екатерина Викторовна
ВИДОВОЙ СОСТАВ, ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ И ТОКСИЧНОСТЬ
ЦИАНОБАКТЕРИЙ ШЕРШНЕВСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ
03.00.16 - экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Пермь – 2009
Работа выполнена в экспериментальном отделе «Уральского научно-практического центра радиационной медицины»
Научный руководитель: доктор биологических наук
Пряхин Евгений Александрович
Официальные оппоненты: доктор медицинских наук, профессор
Немцева Наталия Вячеславовна
кандидат биологических наук
Ярушина Маргарита Ивановна
Борис Игоревич
Ведущая организация: Институт экологии и генетики микроорганизмов УРО РАН, лаборатория водной микробиологии; 614081, г. Пермь, ул. Голева, 13
Защита состоится «18» июня 2009 г. в «16 » ч. на заседании диссертационного совета Д 212.189.02 при Пермском государственный университете по адресу: 614990, г. Пермь, ГСП, ул. Букирева, д. 15, в зале заседаний Ученого совета.
Адрес сайта: http://www.psu.ru
Е-mail: [email protected]
Факс (342) 237-16-11;
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета
Автореферат разослан «___» _______________ 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор биологических наук, доцент Новоселова Л.В.
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. С середины 20-го века в связи с ростом антропогенного загрязнения водных экосистем и зарегулированием стока рек началось лавинообразное нарастание количества эвтрофированных водоемов. Одним из самых неблагоприятных последствий эвтрофикации является массовое развитие цианобактерий. Это явление само по себе является мощным стрессором для водных экосистем и создает множество проблем при рекреационном, хозяйственном и питьевом использовании водоемов. Кроме того, цианобактерии способны синтезировать токсические вещества – цианотоксины. Не менее 50% случаев «цветения» вызвано массовым развитием токсичных цианобактерий (Toxic Cyanobacteria.., 1999). На сегодняшний день накопилось достаточно большое количество фактических материалов о токсическом действии цианобактерий на млекопитающих и человека (Горюнова, Демина, 1974; Carmichael, 2001). В крайнем случае, попадание цианотоксинов в организм человека может привести к смерти. При длительном поступлении цианотоксинов в малых дозах с водой могут развиваться заболевания печени, а также регистрируется повышение частоты первичного рака печени (Yu, 1989, 1995).
Проблема массового развития токсичных цианобактерий в водоемах питьевого и рекреационного назначения с точки зрения опасности для здоровья населения отнесена Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) к одной из приоритетных (Toxic Cyanobacteria.., 1999). В большинстве развитых стран установлены ПДК для наиболее распространенных цианотоксинов, определена программа мониторинга токсичного цветения и комплекс мероприятий по предупреждению неблагоприятного воздействия цианотоксинов на здоровье населения. В нашей стране к настоящему времени стандарты безопасного для здоровья человека содержания цианотоксинов в воде и продуктах питания все еще не разработаны. Работы, связанные с изучением токсикологического аспекта массового развития цианобактерий, включающие определение содержания цианотоксинов в воде, в нашей стране на сегодняшний день очень малочисленны (Волошко, 2000, 2005). Непонимание масштаба развития токсического «цветения» водоемов в нашей стране не позволяет защитить население при использовании воды в питьевых и рекреационных целях. Актуальность данной работы лежит в плоскости изучения закономерностей развития токсического «цветения» водоемов, что является первым шагом к разработке системы мониторинга и обеспечения безопасности населения.
Цель работы
Изучение закономерностей сезонной динамики количественного развития, видового состава и токсичности цианобактерий Шершневского водохранилища.
Задачи исследования
- Проанализировать сезонную динамику численности цианобактерий в воде Шершневского водохранилища в 2004-2007гг.
- Изучить закономерности сезонной динамики видовой структуры доминирующего комплекса цианобактерий Шершневского водохранилища.
- Оценить токсические свойства и динамику токсичности цианобактерий Шершневского водохранилища.
- Определить содержание микроцистина в воде Шершневского водохранилища
- Адаптировать систему мониторинга развития токсичных цианобактерий, рекомендованную ВОЗ, с учетом экологических особенностей Шершневского водохранилища.
Научная новизна работы
- Впервые выявлено, что в Шершневском водохранилище в летний период происходит массовое развитие токсичных цианобактерий, обладающих гепатотропным, нейротоксическим и раздражающим действием.
- Впервые проведена оценка динамики содержания микроцистина в воде Шершневского водохранилища.
- Впервые выявлены закономерности влияния экологических факторов на смену доминантов цианобактерий на примере Шершневского водохранилища.
Теоретическая значимость
- Результаты работы расширяют представления о влиянии экологических факторов на количественное развитие, смену доминантов и токсичность цианобактерий. Оптимальными условиями для продукции токсинов цианобактериями Шершневского водохранилища является установление солнечной погоды в сочетании с высокой солнечной активностью и низкой проточностью.
- Результаты работы представляют научный и практический интерес в сфере изучения закономерностей сезонной динамики видовой структуры доминирующего комплекса цианобактерий в искусственных водных экосистемах на примере Шершневского водохранилища.
Практическая значимость
Разработана «Методика выполнения измерений массовой концентрации микроцистина в природной и питьевой воде фотометрическим методом», которая прошла государственную аттестацию в соответствии с ГОСТ Р 8.563 (свидетельство об аттестации № 224.01.03.206/2008) и используется в работе экспериментального отдела Федерального государственного учреждения науки «Уральский научно-практический центр радиационной медицины».
Определены пороговые уровни количественного развития микроцистин- синтезирующих цианобактерий (Microcystis spp., Oscillatoria agardhii), соответствующие содержанию микроцистина в воде Шершневского водохранилища в количестве 1 ПДК, рекомендованной ВОЗ. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для определения и обоснования безопасных уровней количественного развития токсичных цианобактерий в воде.
Материалы диссертации используются в учебном процессе в рамках курса «Экотоксикология» на кафедре биоэкологии Челябинского государственного университета.
Основные положения, выносимые на защиту
- В Шершневском водохранилище в летний период происходит массовое развитие токсичных цианобактерий, обладающих гепатотропным, нейротоксическим и раздражающим действием. Среднее значение ЛД50 цианобактерий в пересчете на сухой вес составляет 126 мг/кг (доверительный интервал 103 – 154 мг/кг).
- Цианобактерии родов Microcystis и Oscillatoria Шершневского водохранилища синтезируют микроцистин. Цианобактерии родов Aphanizomenon и Anabaena Шершневского водохранилища не синтезируют микроцистин или синтезируют его в ничтожно малых количествах.
- Развитие цианобактерий рода Microcystis в количестве 9 млн. кл/л или цианобактерий рода Oscillatoria в количестве 19 млн. кл/л приводит к повышению концентрации микроцистина воде в среднем до 1 мкг/л. Минимальная зарегистрированная концентрация клеток цианобактерий в воде, приводящая к созданию концентрации микроцистина в воде 1 мкг/л, составляет 6 млн. кл/л.
Апробация материалов работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональной конференции «Экологические проблемы Челябинской области» (Челябинск, 2004), Межрегиональной научно-практической конференции «Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области» (Челябинск: Челяб. гос. ун-т. 2005), Всероссийском молодежном научном симпозиуме «Безопасность биосферы» (Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005), I Международной научно-практической конференции «Адаптация биологических систем к естественным и экстремальным факторам среды» (Челябинск, 2006), областной научно-практической конференции «Охрана водных объектов Челябинской области» (Челябинск, 2007, 2008), Научно-практической конференции, посвященной 10-летию биологического факультета ЧелГУ (Челябинск, 2008 г.), II Санкт-Петербургском Международном Экофоруме «Окружающая среда и здоровье человека» (Санкт-Петербург, 2008), Всероссийской научно-практической конференции «Экология в высшей школе: синтез науки и образования» (Челябинск, 2009).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 2 публикации – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертации
Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, главы, описывающей материалы и методы исследований, главы результатов собственных исследований и их обсуждения, выводов, списка литературы. Указатель использованной литературы включает 142 источника.
Благодарности
Автор выражает благодарность и глубокую признательность д.б.н. Е.А.Пряхину за руководство работой, помощь в освоении программных средств статистической обработки и искреннее сердечное участие; к.б.н. Л.В. Дерябиной за ценный опыт полевых работ, всем сотрудникам экспериментального отдела УНПЦРМ за поддержку в проведении всех этапов работы; инженеру гидробиологу В.А. Антиповой (Сосновские очистные сооружения г. Челябинска); к.б.н. Л.В. Снитько (Ильменский заповедник) за консультации и помощь в определении видов и ценнейшее профессиональное общение.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для оценки развития фитопланктона в Шершневском водохранилище в 2004-2007 гг. ежемесячно в период с июня по сентябрь проводили отбор средневзвешенных проб в пяти точках (установленных по GPS-навигатору). Концентрирование проб проводили фильтрационным методом с использованием мембранных фильтров с размером пор 0,45 мкм (МФАС–ОС-2 Владипор). Анализ проб фитопланктона проводили стандартными гидробиологическими методами с использованием камеры Горяева и соответствующих определителей (Голлербах, 1953; Коршиков, 1953; Матвиенко, 1954; Попова, 1955; Косинская, 1960; Дедусенко-Щеголева, 1962; Кондратьева, Коваленко, 1975; Виноградова, 1980; Паламарь-Мордвинцева, 1982; Мошкова, 1987; Царенко, 1990). Идентификацию видового состава диатомовых водорослей проводили в качественных пробах, прожженных в хромовой смеси (Методические рекомендации, 1984). Кроме того, одновременно отбирали пробы воды для гидрохимического анализа (анализ был проведен лабораторией Сосновских очистных водопроводных сооружений).
В приплотинной области Шершневского водохранилища в течение вегетационных сезонов 2004-2007 гг. еженедельно проводились исследования количественного развития, видового состава, токсических свойств цианобактерий и содержания микроцистина в воде (2006-2007 гг.). Для оценки численности и видового состава цианобактерий и содержания микроцистина отбирали поверхностные пробы воды и концентрировали их на мембранных и стеклянно-волокнистых фильтрах. Содержание микроцистина в воде определяли с помощью непрямого иммунносорбентного анализа (ELISA) с использованием стандартного набора для определения микроцистина (Microcystin plate kit, Beacon).
Для оценки токсических свойств получали концентрированную суспензию цианобактерий путем фильтрации большого объема воды через двухслойную сеть из мельничного газа. Животным внутрибрюшинно вводили взвесь препарата из цианобактерий. В каждом опыте испытывали 7 доз цианобактерий в диапазоне 25 - 650 мг/кг (сухой вес). Экспериментальные группы состояли из 5 животных. Длительность наблюдения за животными в остром опыте составляла не менее 14 дней после введения. Всего в экспериментах было использовано более 1500 животных.
Для установления статистических параметров токсичности вещества использовались протоколы наблюдений. Среднюю летальную дозу, ошибку и 95% доверительный интервал вычисляли с помощью метода пробит-анализа по Личфилду. Влияние различных факторов (температуры воды, количества солнечных дней, количества осадков, солнечной активности (по числам Вольфа), средней скорости ветра, содержания биогенных веществ (P, N, N/P), средней проточности, численности и биомассы цианобактерий, качественного состава проб цианобактерий) оценивали с помощью регрессионного анализа, однофакторного дисперсионного анализа и многофакторного дисперсионного анализа признаков сопряженности в главной линейной модели.
результаты исследования и их обсуждение
Анализ многолетней динамики состояния экосистемы Шершневского водохранилища. Предпосылки развития цветения. Шершневский гидроузел расположен на р. Миасс, введен в эксплуатацию в 1968 году. Водохранилище выполняет функции многолетнего регулирования стока на среднем участке реки – от Аргазинского водохранилища до г. Челябинска. Шершневское водохранилище имеет статус водоема первой категории водопользования как источник питьевого и хозяйственно-бытового использования. Кроме того, водохранилище интенсивно используется населением в рекреационных целях.
Со времени пуска водохранилище претерпело ряд изменений, характерных для любого искусственного водоема. На первой стадии формирования происходили интенсивные процессы выщелачивания веществ из затопленных почв и характеристики речной воды изменялись. Начиная с 70х годов, эти процессы уменьшились, и к 80-м годам наступило некоторое равновесное состояние экосистемы водоема, характеризовавшееся стабильным качеством воды. К началу 90-х годов антропогенная нагрузка на водоем все больше и больше увеличивается, что сказывается на качестве воды и его общем экологическом состоянии.
В научно-исследовательских работах разных лет (Обоснование мероприятий…, 1996; Разработка системы мероприятий, 2004; Комплексная оценка…, 2007) отмечалось ухудшение качества воды и экологического состояния экосистемы водохранилища. Бедствием для водопользователей являются ситуации, возникающие в летний период года, связанные с интенсивным «цветением» воды, что вызывает усиление цветности, привкусов и запахов воды, авральные ситуации на очистных сооружениях, а также заболеваемость и гибель рыбы в водоеме.
В целом общая картина развития процессов «цветения» воды Шершневского водохранилища сводится к конкуренции цианобактерий и диатомовых водорослей. Численность представителей обеих таксономических групп периодически достигает степени массового развития. После весеннего размножения диатомовых водорослей следует короткий период чистой воды, после чего начинается вегетация цианобактерий. В последние годы, с повышением температуры в июне в водохранилище более интенсивно начинают развиваться цианобактерии из рода Anabaena (Anabaena flos-aquae (L.) Ralfs., Anabaena sheremetievi Elenk.), к которым в июле присоединяются Aphanizomenon flos-aquae (L.) Ralfs. и Gomphoshaeria lacustris Chod. Далее в процесс «цветения» могут включаться разные виды Microcystis (M. aeruginosa Ktz.emend Elenk., M. wesenbergii Kom., M.flos-aquae (Wittr.) Kirchn., M. ichtyoblabe Ktz.) и Oscillatoria agardhii. Вегетация синезеленых продолжается до глубокой осени с короткими периодами депрессии между пиками. Кроме того, периодически случаются вспышки развития диатомей Aulacoseira granulata (Ehr.) Simons. Зеленые водоросли и представители других отделов в течение всего сезона представлены в незначительных количествах по численности и биомассе.
Общепризнано, что за редким исключением главным регулятором продукционного процесса является фосфор. По данным одних исследователей для поддержания максимального роста фитопланктона в естественном озере вполне достаточно 0,02 мг фосфора на литр воды. По наблюдениям других - в водоемах, содержащих не более 0,01 мг/л растворенных фосфатов в верхнем 10м слое воды, наблюдается хотя бы одно цветение в год (Разработка системы…, 2004).
Необходимо отметить, что в Шершневском водохранилище по данным Челябинского центра гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды концентрация ортофосфатов очень редко снижается до уровня 0,02 мг/л и ниже, такие случаи скорее можно назвать единичными. Большую часть времени (1990-2007гг.) по данным ЦГМС, в среднем она находится в пределах 0,05-0,09 мг/л, часто поднимаясь до 1-1,5 мг/л во второй половине лета и в период паводка. Причем средний показатель содержания ортофосфатов в 90-е годы составил 0,08 мг/л, а с 2000 по 2007 - 0,11 мг/л, что указывает на повышение уровня эвтрофирования водоема.
Таким образом, в Шершневском водохранилище создаются оптимальные условия для массового развития цианобактерий из-за достаточно высокой концентрации фосфора в воде, наличия озеровидной части с низким водообменом и большим запасом биогенных веществ, накопленным в донных отложениях.
Пространственно-временная динамика развития фитопланктона в Шершневском водохранилище в течение сезона вегетации
Анализ сезонной и пространственной динамики развития фитопланктона в Шершневском водохранилище проведен на примере данных, полученных в 2007 году. Текущее состояние Шершневского водохранилища существенно не отличалось от средне-многолетних характеристик: концентрации органических и неорганических веществ и клеток фитопланктона находились в пределах средних значений за многолетний период.
Пространственное распределение фитопланктона. В Шершневском водохранилище летом 2007 года количественное развитие фитопланктона и видовой состав характеризовались значительной неравномерностью по акватории. Данные о численности фитопланктона, относительном вкладе представителей различных таксонов, количестве видов и индексе сапробности представлены в таблице 1. Было выявлено, что акватория Шершневского водохранилища довольно четко делится на две части отличающиеся по численности фитопланктона и структуре альгоценоза. В южной части соответствующей речному плесу водохранилища на мелководных станциях ШВ1 и ШВ2 численность фитопланктона меньше, а вклад представителей таксонов более сбалансирован. На глубоководных станциях ШВ3 - ШВ5 в малопроточной части водохранилища регистрируется «цветение» воды с резко выраженным доминированием цианобактерий, степень которого к концу лета возрастает с 85 до 99%.
Сезонная сукцессия фитопланктона в Шершневском водохранилище в 2007 году в общих очертаниях повторяет многолетние данные (рис. 1). В конце мая наибольшей численности достигали диатомовые водоросли родов Stephanodiscus и Cyclotella (11.6 млн.кл/л). Позиции субдоминантов разделяли между собой зеленые водоросли и золотистая водоросль Chrysococcus rufescens Klebs..
В июне состав фитопланктонного сообщества довольно сбалансирован (рис. 1). В середине месяца началось развитие цианобактерий рода Anabaena и регистрировалось образование первых нагонных явлений (4 млрд. кл/л).
С июля по сентябрь численность фитопланктона в среднем по акватории нарастает с 62 до 120 млн. кл/л, достигая точечных максимумов порядка 180-200 млн.кл/л. При этом индекс сапробности Пантле-Букка находится в пределах 1.51-2.50, что соответствует -мезосапробной зоне.
В целом по акватории в альгоценозе с июня по сентябрь возрастает роль цианобактерий. Параллельно происходит смена видов-доминантов цианобактерий, в числе которых в 2007 году были Anabaena flos-aquae, Aphanizomenon flos-aquae и Oscillatoria agardhii. Субдоминантами в Шершневском водохранилище в течение лета являются Aulacoseira spp. и Anabaena flos-aquae, в августе в их рядах появляются Gomphosphaeria lacustris и Microcystis aeruginosa. А в сентябре на позиции субдоминанта остается только Microcystis aeruginosa. Кроме того, с небольшой численностью постоянно встречаются Asterionella formosa Hass., Fragilaria crotonensis Kitt. и виды родов Stephanodiscus и Cyclotella.
Рис. 1. Сезонная сукцессия фитопланктона в 2007 г.
Всего в 2004-2007 гг. в пробах из Шершневского водохранилища нами обнаружено 62 вида водорослей и цианобактерий. Зеленые водоросли (особенно хлорокковые) отличаются наибольшим видовым разнообразием (при невысокой численности), их доля составила чуть более половины обнаруженных видов (32 вида).
Динамика количественного развития цианобактерий Шершневского водохранилища в 2004-2007 гг. На рисунке 2 представлена динамика среднемесячных показателей численности клеток цианобактерий в воде. Наиболее высокая среднемесячная численность цианобактерий в Шершневском водохранилище ежегодно наблюдается в июле. Хотя отдельные пики численности в 200 – 300 млн. кл/л могут возникать в течение периода с июня по сентябрь. На графике видны четкие отличия между июльскими показателями среднемесячной численности цианобактерий в 2004 и 2005 гг. с одной стороны и показателями 2006 и 2007 гг. с другой стороны. При проведении регрессионного анализа влияния различных факторов на численность цианобактерий в июле и августе 2004-2007 гг. были получены следующие результаты.
| Таблица 1 Пространственно-временная динамика показателей развития фитопланктона летом 2007 года | ||||||||||||||||||
| Станции | Июль 2007 | Август 2007 | Сентябрь 2007 | |||||||||||||||
| N | % от N | S | n | N | % от N | S | n | N | % от N | S | n | |||||||
| ЦБ | Д | З | ЦБ | Д | З | ЦБ | Д | З | ||||||||||
| ШВ1 | 3 | 27 | 55 | 18 | 1,84 | 20 | 2.6 | 3 | 14 | 77 | 1,88 | 22 | 1.7 | 47 | 17 | 31 | 1,96 | 27 |
| ШВ2 | 20 | 30 | 62 | 7 | 1,88 | 31 | 51 | 70 | 26 | 3 | 1,98 | 32 | 154 | 99 | 0,3 | 0 | 1,84 | 35 |
| ШВ3 | 72 | 85 | 13 | 2 | 1,93 | 23 | 201 | 93 | 6 | 1 | 2,01 | 24 | 108 | 99 | 0,8 | 0,1 | 1,95 | 21 |
| ШВ4 | 148 | 91 | 8 | 1 | 1,97 | 24 | 63 | 85 | 12 | 2 | 2,02 | 31 | 190 | 99 | 0,7 | 0,2 | 1,94 | 29 |
| ШВ5 | 70 | 93 | 6 | 1 | 1,98 | 24 | 130 | 91 | 4 | 2 | 2,00 | 26 | 149 | 99 | 0,8 | 0,1 | 1,95 | 21 |
| Среднее | 62 | 65 | 29 | 5,8 | 1,92 | 24,4 | 89 | 68 | 12 | 17 | 1,98 | 27 | 120 | 89 | 3,9 | 6,3 | 1,93 | 27 |
| Примечание — N – общая численность фитопланктона в воде (млн. кл/л); ЦБ – цианобактерии; Д – диатомовые водоросли; З – зеленые водоросли; S – индекс сапробности Пантле-Букка; n – количество видов фитопланктона в пробе | ||||||||||||||||||
Рис. 2. Среднемесячные показатели численности клеток цианобактерий в воде Шершневского водохранилища в 2004-2007гг.
Единственным из исследуемых факторов, оказавшим достоверное влияние на численность клеток цианобактерий, стала солнечная активность, выраженная в числах Вольфа (R=0,731; R2=0,534, F=6,88; p=0,039). Снижение солнечной активности приводило к увеличению численности клеток цианобактерий. Механизм влияния солнечной активности на концентрацию клеток цианобактерий не ясен.
Видовой состав доминантного комплекса цианобактерий в 2004-2007гг.
Каким бы ни был разнообразным видовой состав, общую картину «цветения» определяют, чаще всего, 2-3 вида, а иногда даже один вид. За период исследований с 2004 (июль-сентябрь) по 2007 год мы наблюдали несколько вариантов развития процессов «цветения» водоема.
Кратко характеризуя результаты анализа смены доминантов цианобактерий за период 2004-2007 гг., следует отметить следующие особенности. По составу доминантов между собой сходство обнаруживают 2004 и 2005 гг., а также 2006 и 2007 гг. (рисунки 3, 4).
Рис. 3. Смена доминантов цианобактерий в 2004 и 2005 гг.
2004 и 2005 гг. характеризуются присутствием Aphanizomenon flos-aquae и цианобактерий рода Microcystis и периодической сменой их друг другом. В 2006-2007 годах (рисунок 4) в начале года присутствует пик развития Anabaena flos-aquae, затем доминирует Aphanizomenon flos-aquae и в конце лета появляется Oscillatoria agardhii.
Рис. 4. Смена доминантов цианобактерий в 2006 и 2007 гг.
Следует отметить, что в данных по общей численности цианобактерий в воде наблюдается та же закономерность – 2004-2005 годы отличаются от 2007-2008 годов.
При анализе данных по доминированию разных видов цианобактерий за 2004-2007 гг. было выявлено, что смена доминантов цианобактерий в Шершневском водохранилище в течение вегетационного периода подчиняется определенным закономерностям.
Для проведения анализа, данные о дате отбора проб (в частности «день и месяц») были переведены в десятичный формат, т.е. 30 дней приравнивались к единице. На рисунке 4 видно, что в альгоценозе Шершневского водохранилища цианобактерии рода Anabaena доминируют в июне, а цианобактерии рода Oscillatoria - в сентябре. Цианобактерии рода Microcystis доминируют преимущественно в августе, однако, отдельные случаи доминирования регистрировались в июле и сентябре.
Рис. 5. Время доминирования определенных родов цианобактерий в Шершневском водохранилище. Точкой обозначено значение среднего, вертикальной линией – медиана, границы прямоугольника соответствуют 95% доверительному интервалу, а отрезки, выходящие за границы прямоугольников обозначают минимальные и максимальные значения
Наиболее широкий диапазон времени доминирования характерен для Aphanizomenon flos-aquae. Цианобактерии этого рода в среднем доминируют в Шершневском водохранилище в июле – начале августа, однако, также отмечены случаи доминирования этих цианобактерий в июне и сентябре.
При сравнении средних значений температуры воды при доминировании различных родов цианобактерий были получены следующие результаты. Средняя температура воды в момент отбора пробы при доминировании осциллятории составила 14 ± 2 °С, что достоверно отличается от средних температур воды при которых доминируют Microcystis (p=0,015) и Aphanizomenon (p=0,005).
При анализе средней за неделю до отбора солнечной активности было выявлено, что среднее значение чисел Вольфа при доминировании Microcystis (31,9 ± 4,8) и Aphanizomenon (27,7 ± 5,4) была достоверно выше (F=2,9; p=0,033), чем в случае доминирования Anabaena (5,8 ± 5,7) и Oscillatoria (5,4±5,4).
Цианобактерии родов Microcystis и Oscillatoria доминировали при среднем количестве осадков в 49 и 30 мм соответственно, что достоверно ниже, чем при доминировании цианобактерий рода Aphanizomenon (72 мм).
Анализ влияния содержания биогенных веществ в воде на доминирование разных родов цианобактерий показал, что содержание аммиака (F=0,40; p=0,80); нитратов (F=0,63; p=0,64); нитритов (F=1,16; p=0,34) и общего азота (F=0,43; p=0,79) не оказывает достоверного влияния на смену доминантов цианобактерий. Содержание ортофосфатов в воде было достоверно ниже (р=0,038) при доминировании Anabaena (0,08±0,01 мг/л), чем при доминировании Microcystis (0,120 ± 0,009 мг/л). Может быть, это связано с тем, что Anabaena вступает в вегетацию в июне, когда после весеннего пика развития диатомовых концентрация фосфатов в воде несколько снижена. Однако величина 0,08 мг/л сама по себе является достаточной для развития «цветения» воды.
Возможно, более важным является в данном случае фактор проточности. При доминировании Anabaena среднее значение суммарного коэффициента поступления из Аргазинского водохранилища и с водосборной площади составило 0,37 ± 0,02, что достоверно выше, чем при доминировании Microcystis (р=0,041) и Oscillatoria (p=0.047).
Токсические свойства цианобактерий Шершневского водохранилища
Оценку острой токсичности цианобактерий Шершневского водохранилища в 2004-2007 г. проводили на самцах мышей линии СВА, которые показали наибольшую чувствительность в предварительных исследованиях (Пряхин и др., 2005).
При внутрибрюшинном введении цианобактерий у мышей СВА наблюдались следующие симптомы: напряженность мышц, угнетение двигательной активности, затем заторможенность; периодические клонические судороги; через сутки появлялась выраженная бледность кожных покровов, поражения глаз (по типу конъюнктивитов), диарея; при введении летальных доз, развивалось выраженное угнетение двигательной активности с отказом от пищи, гибель животных наступала в течение 1-2 суток. При вскрытии погибших животных в ряде случаев наблюдали кровоизлияния в печень, инфильтраты в легких. Таким образом, можно утверждать, что токсины цианобактерий Шершневского водохранилища оказывают токсическое действие на ЦНС, вызывают поражения органов дыхания, паренхиматозных органов (печени, почек, селезенки).
Также нами проведены исследования кожной реактивности и раздражения глаз на кроликах-альбиносах с использованием пробы от 12.07.2004 г. (доминант Microcystis). Было выявлено, что цианобактерии Шершневского водохранилища обладают раздражающим действием на кожу и глаза. У всех животных была зарегистрирована четко выраженная эритема сразу после прекращения воздействия. При оценке раздражающего действия на глаза было выявлено, что через 1 час после аппликации цианобактерий к передней поверхности глаза у кроликов регистрировалось измененное состояние слизистой глаза – диффузный темно-красный цвет и отечность мигательной мембраны. Это свидетельствует о наличии раздражающего действия цианобактерий на глаза. Через 48 часов состояние тестируемого глаза не отличалось от контрольного.
Динамика токсичности цианобактерий в 2004-2007 гг.
При оценке токсических свойств цианобактерий Шершневского водохранилища было выявлено, что LD50 варьирует в широких пределах – от 48,4 до 572 мг/кг, причем за короткие сроки этот показатель мог меняться почти в 10 раз (например, от 442,1 до 48,4 мг/кг за одну неделю). Общее количество проанализированных проб составило 43. Результаты анализа острой токсичности проб цианобактерий представлены в таблице 3. При анализе характера распределения значений ЛД50 было выявлено, что данные лучше всего описываются логнормальным распределением (D критерий Колмогорова-Смирнова = 0,15; р 0,1) (Рисунок 19).
Распределение данных по ЛД50 имело следующие характеристики: среднее значение 126 мг/кг (доверительный интервал 103-154 мг/кг); медиана 102 мг/кг (доверительный интервал 83 - 153 мг/кг); максимум 572 мг/кг; минимум 48 мг/кг. Из 43 проанализированных проб в соответствии с классификацией ВОЗ, 21 пробу (49%) можно было отнести к высокотоксичным (ЛД50 < 100мг/кг); 21 пробу (49%) – к умеренно токсичным (ЛД50 100-500 мг/кг); 1 пробу (2%) – к низкотоксичным (ЛД50 500 – 1000 мг/кг).
Таблица 3
Динамика ЛД50 проб цианобактерий
| Дата | LD50, мг/кг | 95% доверительный интервал, мг/кг | Состав пробы, % | |||
| Microcystis | Aphanizomenon | Anabaena | Oscillatoria | |||
| 04.08.2004 | 77 | 71-86 | 99,8 | 0,2 | 0 | 0 |
| 24.08.2004 | 142 | 121-175 | 92,5 | 7,46 | 0,04 | 0 |
| 22.09.2004 | 102 | 96-113 | 45,1 | 52,4 | 2,5 | 0 |
| 01.10.2004 | 62 | 42-83 | 0,1 | 99,9 | 0 | 0 |
| 08.06.2005 | 82 | 70-97 | 51,4 | 26,9 | 21,7 | 0 |
| 15.06.2005 | 82 | 70-97 | 3,7 | 86,5 | 9,8 | 0 |
| 22.06.2005 | 383 | 336-427 | 13,3 | 86,6 | 0,1 | 0 |
| 29.06.2005 | 166 | 123-204 | 60,2 | 34,1 | 5,7 | 0 |
| 06.07.2005 | 442 | 396-491 | 0,6 | 99,4 | 0 | 0 |
| 14.07.2005 | 48 | 38-62 | 0,1 | 99,7 | 0,2 | 0 |
| 27.07.2005 | 70 | 60-84 | 98,9 | 0 | 0 | 1,1 |
| 03.08.2005 | 572 | 507-599 | 4,8 | 95,2 | 0 | 0 |
| 10.08.2005 | 67 | 46-93 | 8,3 | 87,3 | 0 | 4,4 |
| 17. 08.2005 | 140 | 90-196 | 99,2 | 0 | 0 | 0,8 |
| 24.08.2005 | 76 | 58-105 | 99,8 | 0,2 | 0 | 0 |
| 31.08.2005 | 109 | 94-134 | 99,9 | 0,1 | 0 | 0 |
| 08.09.2005 | 48 | 38-62 | 99,4 | 0 | 0 | 0,6 |
| 15.09.2005 | 88 | 64-121 | 98,5 | 1,5 | 0 | 0 |
| 22.06.2006 | 94 | 79-115 | 13,3 | 86,6 | 0,1 | 0 |
| 28.06.2006 | 99 | 40-119 | 2,6 | 21,4 | 76 | 0 |
| 05.07.2006 | 106 | 80-140 | 33,1 | 66,9 | 0 | 0 |
| 12.07.2006 | 401 | 361-520 | 6,8 | 93,2 | 0 | 0 |
| 18.07.2006 | 128 | 101-153 | 33,01 | 65,1 | 1,89 | 0 |
| 27.07.2006 | 353 | 305-404 | 2,5 | 97,5 | 0 | 0 |
| 02.08.2006 | 217 | 168-242 | 52,7 | 47,3 | 0 | 0 |
| 16.08.2006 | 84 | 54-127 | 13,9 | 69,7 | 0 | 16,4 |
| 30.08.2006 | 83 | 59-113 | 12,7 | 0 | 0 | 87,3 |
| 05.09.2006 | 475 | 430-520 | 8,5 | 86,6 | 0 | 4,9 |
| 15.06.2007 | 285 | 232-321 | 0 | 3,8 | 96,2 | 0 |
| 21.06.2007 | 196 | 134-253 | 0,7 | 8,7 | 90,6 | 0 |
| 05.07.2007 | 77 | 54-127 | 0 | 98,5 | 1,5 | 0 |
| 12.07.2007 | 155 | 132-200 | 0,5 | 97 | 2,5 | 0 |
| 19.07.2007 | 93 | 76-108 | 0 | 82 | 18 | 0 |
| 26.07.2007 | 153 | 131-177 | 3 | 81 | 13 | 3 |
| 09.08.2007 | 161 | 152-185 | 10 | 37 | 6 | 47 |
| 16.08.2007 | 114 | 101-126 | 20,1 | 41,4 | 1,9 | 36,6 |
| 23.08.2007 | 325 | 279-391 | 15,5 | 32,5 | 2,8 | 49,2 |
| 30.08.2007 | 73 | 62-89 | 7,4 | 50 | 0,1 | 42,5 |
| 06.09.2007 | 93 | 80-111 | 0,5 | 38,6 | 0,8 | 60,1 |
| 13.09.2007 | 69 | 59-84 | 27,1 | 0 | 0 | 72,9 |
| 27.09.2007 | 77 | 66-93 | 1,3 | 6 | 0,1 | 92,6 |
Токсичность различных родов цианобактерий
Результаты определения ЛД50 в пробах с разными доминантами представлены в таблице 4.
Таблица 4
Средние значения ЛД50 в пробах с различными доминантами цианобактерий
| Доминант | Кол-во проб | ЛД50, мг/кг | 95% доверительный интервал, мг/кг |
| Microcystis | 9 | 94 | 70-127 |
| Oscillatoria | 3 | 76 | 61-95 |
| Anabaena | 3 | 177 | 47-668 |
| Aphanizomenon | 16 | 158 | 100-249 |
| Кодоминирование | 11 | 129 | 96-174 |
При анализе проб, в которых доминировали цианобактерии рода Microcystis, было выявлено, что среднее значения LD50 составило 94 мг/кг, медиана – 87,7 мг/кг, т.е. в среднем пробы с доминированием этих цианобактерий можно отнести к высокотоксичным в соответствии с классификацией ВОЗ.
Цианобактерии Oscillatoria agardhii доминировали в 3 пробах, взятых в сентябре 2007 года. Среднее значение ЛД50 было наименьшим среди исследованных видов – 76 мг/кг, и разброс значений ЛД50 в этих пробах оказался очень незначительным. В связи с этим, в среднем пробы с доминированием цианобактерий вида Oscillatoria agardhii можно отнести к высокотоксичным.
Цианобактерии Anabaena flos-aquae также доминировали всего в трех отобранных нами пробах цианобактерий. Среднее значение ЛД50 составило 177 мг/кг. Однако, две из этих проб были отобраны из областей образования нагонных явлений, численность клеток в воде при этом составляла 4-8 млрд. кл/л. Это свидетельствует о том, что цианобактерии находились в специфических измененных условиях, что могло оказать влияние на их токсичность – за счет выброса токсинов в окружающую среду, самоотравления, снижения функциональной активности и продукции токсинов (ЛД50 в этих пробах составляли 196 и 285 мг/кг – умеренно токсично по классификации ВОЗ). Третья проба цианобактерий с доминированием Anabaena была отобрана в нормальных условиях, в отсутствие нагонных явлений и ЛД50 составила в ней 99,35 мг/кг, что свидетельствует о высокой токсичности. В связи с этим, на основании полученных данных сложно сделать обоснованный вывод о средней токсичности проб цианобактерий при доминировании Anabaena flos-aquae.
Распределение значений ЛД50 в пробах с доминированием цианобактерий Aphanizomenon flos-aquae отличалось от других. На рисунке 6 мы видим наличие отдельных массивов данных, один из которых характеризуется низкой токсичностью, а другой – высокой. При детальном анализе проб было выявлено, что низкая токсичность (ЛД50 выше 300 мг/кг) наблюдается в тех пробах, где присутствуют признаки деградации цианобактерий. Таковыми являлись: полное разрушение трихомов Aphanizomenon flos-aquae на отдельные клетки, случаи регистрации голубой окраски массы цианобактерий при отборе проб, наличие синих гранул в клетках, которые сигнализируют о разрушении пигментного аппарата.
Рис. 6. Распределение ЛД50 (мг/кг) проб цианобактерий Шершневского водохранилища с доминированием цианобактерий Aphanizomenon flos-aquae
Таким образом, можно сделать вывод, что снижение жизнеспособности цианобактерий приводит к уменьшению их токсичности. В связи с этим, мы приняли решение исключить данные пробы из последующего анализа влияния различных факторов на токсичность цианобактерий.
Среднее значение ЛД50 в пробах с отсутствием признаков деградации 86 мг/кг (95% доверительный интервал 67-110 мг/кг), на основании этого пробы цианобактерий с доминированием Aphanizomenon flos-aquae и отсутствием признаков деградации клеток могут быть отнесены к высокотоксичным в соответствии с классификацией ВОЗ.
В случае кодоминирования нескольких родов цианобактерий в пробе среднее ЛД50 составило 117 мг/кг (95% доверительный интервал 93-150 мг/кг). Таким образом, в среднем пробы с доминированием нескольких родов цианобактерий могут быть охарактеризованы по классификации ВОЗ как умеренно токсичные.
При сравнении 95% доверительных интервалов средних значений ЛД50 цианобактерий разных родов видно (без учета проб Aphanizomenon с признаками деградации), что все они перекрываются со средними значениями других родов цианобактерий. Следовательно, можно сделать вывод, что цианобактерии Шершневского водохранилища родов Microcystis, Aphanizomenon, Oscillatoria и Anabaena сопоставимы между собой по токсичности.
Влияние различных факторов на токсичность цианобактерий
При оценке влияния факторов на токсичность цианобактерий с использованием регрессионного анализа было выявлено, что в пробах, взятых из районов образования нагонных явлений, токсичность цианобактерий снижена. Необходимо отметить, что даже с учетом некоторого снижения токсичности цианобактерий, при образовании нагонных явлений создается высокая опасность для здоровья населения из-за огромной концентрации клеток цианобактерий в воде, а также выделения цианотоксинов непосредственно в воду.
При проведении регрессионного анализа не было выявлено следующих влияния факторов на токсичность цианобактерий: температуры воды (во время отбора); температуры воздуха (среднемесячной); среднего количества солнечных дней (за неделю, предшествующую отбору пробы); средней солнечной активности по числам Вольфа (за неделю, предшествующую отбору пробы); средней скорости ветра (за неделю, предшествующую отбору пробы); среднемесячного количества осадков; содержания биогенных веществ (P, N, N/P); проточности, численности и биомассы цианобактерий в воде в день отбора; качественного состава концентрированных проб цианобактерий.
При проведении многофакторного дисперсионного анализа была выявлена следующая модель, включающая в себя факторы, оказывающие совместное влияние на токсичность цианобактерий Шершневского водохранилища. Характеристики модели приведены в таблице 5.
Таблица 5
Характеристики модели влияния факторов на ЛД50 цианобактерий Шершневского водохранилища
| Фактор | Коэффициент b | Статистика Вальда | Значимость |
| Солнечная активность | - 0,9 ± 0,5 | 3,9 | 0,048 |
| Проточность | 1,7·102± 0,7·102 | 5,6 | 0,018 |
| Количество солнечных дней | - 12± 6 | 3,8 | 0,050 |
| Примечание - коэффициент правдоподобия модели 9,9; р =0,019 | |||
Наиболее сильное влияние на токсичность цианобактерий в рамках данной модели оказывает среднемесячная проточность Шершневского водохранилища (статистика Вальда 5,6). Причем повышение проточности оказывает отрицательное влияние на токсичность цианобактерий, что легко объяснимо, т.к. цианобактерии предпочитают условия с низким водообменом.
Примерно одинаковыми по силе влияния на токсичность являются факторы солнечной активности и количества солнечных дней (средние за неделю до отбора пробы цианобактерий показатели), статистика Вальда составила 3,9 и 3,8 соответственно. Оба эти фактора оказывают положительное влияние на токсичность. Это вполне согласуется с литературными данными о том, что на пиках солнечной активности происходят всплески токсичности цианобактерий и возникновения случаев отравления людей и животных (Toxic cyanobacteria in water, 1999).
Таким образом, при проведении многофакторного анализа было выявлено, что оптимальными условиями для продукции токсинов цианобактериями Шершневского водохранилища является установление солнечной погоды в сочетании с высокой солнечной активностью и низкой проточностью.
Содержание микроцистина в воде Шершневского водохранилища
Оценку содержания микроцистина в воде Шершневского водохранилища проводили с июня по сентябрь 2006-2007 гг. Методом непрямого иммунносорбентного анализа определяли концентрацию внутриклеточного микроцистина в пробах воды. В таблице 6 представлены результаты анализа.
Таблица 6
Содержание микроцистина в воде Шершневского водохранилища летом 2006-2007
| Дата | Концентрация микроцистина, мкг/л | Дата | Концентрация микроцистина, мкг/л |
| 22.06.2006 | 0,009 | 21.06.2007 | 5,350* |
| 28.06.2006 | 0,007 | 28.06.2007 | 4,200* |
| 05.07.2006 | 0,052 | 28.06.2007 | 0,060 |
| 12.07.2006 | 0,057 | 12.07.2007 | 0,077 |
| 18.07.2006 | 0,142 | 19.07.2007 | 0,211 |
| 26.07.2006 | 0,120 | 26.07.2007 | 0,225 |
| 02.08.2006 | 0,214 | 09.08.2007 | 0,998 |
| 09.08.2006 | 1,100 | 16.08.2007 | 0,037 |
| 16.08.2006 | 0,212 | 22.08.2007 | 1,324 |
| 05.09.2006 | 0,395 | 30.08.2007 | 4,540 |
| 28.09.2006 | 2,320 | 06.09.2007 | 5,490 |
| 05.10.2006 | 1,164 | 13.09.2007 | 8,220 |
| 27.09.2007 | 4,418 | ||
| 04.10.2007 | 0,648 | ||
| Примечание: * - проба воды из сгона (места концентрации большого количества цианобактерий, возникающей в результате неблагоприятных метеорологических условий). | |||
Полученные результаты лучше всего описываются логнормальным распределением (D критерий Колмогорова-Смирнова = 0,15; р 0,1). Среднее значение содержания микроцистина в воде за весь период исследований составило 0,4 мкг/л (95% доверительный интервал 0,2-0,9 мкг/л).
Содержание микроцистина летом 2006-2007 гг. характеризовалось значительной неравномерностью. При доминировании цианобактерий родов Anabaena и Aphanizomenon концентрация микроцистина в воде не превышала 1 мкг/л (уровень, рекомендованный ВОЗ в качестве ПДК микроцистина в воде). Следует отметить, что ЛД50 проб цианобактерий часто опускалось ниже отметки в 100 мг/кг, что свидетельствует о высокой токсичности, и численность клеток в некоторых пробах превышала 100 млн. кл/л. Эти данные свидетельствуют о том, что токсичность цианобактерий родов Anabaena и Aphanizomenon Шершневского водохранилища определяется наличием в клетках других токсинов, нежели микроцистина. Согласно литературным данным Aphanizomenon flos-aquae действительно не синтезируют микроцистин, однако, цианобактерии рода Anabaena обладают способностью к продукции микроцистина (Toxic cyanobacteria, 1999). Однако, этот ген присутствует не у всех видов и штаммов данного рода. К примеру, в недавних работах российских ученых (Кожевников, 2008) показано, что в Красноярском водохранилище Anabaena lemmermanii не обладает геном синтеза микроцистина. Вполне возможно, что ген микроцистин синтетазы либо отсутствует в популяции Anabaena flos-aquae Шершневского водохранилища, либо не экспрессируется.
Превышение уровня содержания микроцистина в воде в 1 мкг/л происходило в 2006 г. на фоне развития Oscillatoria agardhii. По литературным данным Oscillatoria agardhii обладает способностью к синтезу микроцистина (Toxic cyanobacteria, 1999). Максимальная концентрация микроцистина в 2006 году была зарегистрирована 28.09.2006 и составила 2,3 мкг/л.
При рассмотрении динамики содержания микроцистина в воде в 2007 г. выявлены похожие тенденции. В июне 2007г. на фоне доминирования Anabaena flos-aquae концентрация микроцистина в воде в целом не превышала 1 мкг/л. Исключением являлись случаи возникновения нагонных явлений цианобактерий рода Anabaena в 21 и 28 июня 2007 г., когда локальные концентрации микроцистина достигали 4-5 мкг/л. Следует отметить, что концентрация клеток цианобактерий на городском пляже г. Челябинска в эти дни достигала 7,5-8 млрд. кл/л. (ЛД50 = 196 мг/кг). По данным ВОЗ максимальная концентрация микроцистина, зарегистрированная при образовании нагонных явлений цианобактерий рода Microcystis, составила 25 000 мкг/л. С учетом этого, концентрация микроцистина, в воде в 4-5 мкг/л в нагонных явлениях представляется ничтожно малой. Кроме того, важным является то, что 1% от общей численности составлял Microcystis aeruginosa. С учетом огромной концентрации клеток в воде это составило 21.06.07 примерно 52 млн. кл/л Microcystis. Таким образом, микроцистин, присутствующий в данной пробе в концентрации 5,3 мкг/л, вполне может быть отнесен на счет Microcystis aeruginosa, который является высокоэффективным продуцентом данного токсина.
В этот же день концентрация микроцистина на открытой воде в 500 метрах от места образования нагонных явлений не превышала 1 мкг/л (Таблица 6) при численности клеток цианобактерий 20 млн. кл/л (90% Anabaena от общей численности). Этот факт также подтверждает гипотезу о том, что цианобактерии рода Anabaena Шершневского водохранилища не синтезируют микроцистин, либо синтезируют его в ничтожно малых количествах, несущественных с точки зрения вклада в токсичность.
В июле 2007 года на фоне доминирования цианобактерий Aphanizomenon flos-aquae концентрация микроцистина в воде ни разу не превысила порог 1 мкг/л, несмотря на то, что максимальная численность достигала 300 млн.кл/л при ЛД50 = 93 мг/кг (проба от 19.07.2007).
В августе 2007 начинается постепенное увеличение концентрации микроцистина в воде, которая достигает своего пика в середине сентября. Первый случай достижения концентрации микроцистина в воде в 1 мкг/л зарегистрирован 09.08.2007. Эта дата совпадает с появлением среди доминантов Oscillatoria agardhii, которая составила 48% от общей численности цианобактерий. Весь сентябрь 2007 года характеризовался стойким превышением концентрации 1 мкг/л микроцистина в воде на фоне массового развития Oscillatoria agardhii. Максимальная концентрация цианобактерий в воде достигала 120-200 млн.кл/л.
В пробах с высокой степенью доминирования Oscillatoria agardhii (80-92%) была рассчитана пороговая концентрация клеток этих цианобактерий, при которой содержание микроцистина в воде достигнет 1 мкг/л. Она колеблется в диапазоне 6-22 млн.кл/л. Таким образом, минимальное зарегистрированное значение пороговой концентрации клеток Oscillatoria agardhii, при которой содержание микроцистина в воде достигнет 1 мкг/л, составило 6 млн. кл/л.
При оценке зависимости содержания микроцистина в воде от концентрации клеток цианобактерий разных родов с помощью регрессионного анализа была получена модель, которая указывает на наличие сильной связи между анализируемыми показателями (R=0,94; R2 =0,88; F=16,8; p < 0,001). Также, было выявлено, что концентрация клеток Aphanizomenon и Anabaena не оказывает достоверного влияния на содержание микроцистина (р=0,65 и р=0,71 соответственно). Данные регрессионного анализа служат еще одним доказательством того, что цианобактерии родов Anabaena и Aphanizomenon Шершневского водохранилища не синтезируют микроцистин и их токсичность определяется наличием в клетках других токсинов.
При удалении из модели переменных, соответствующих количеству клеток цианобактерий родов Anabaena и Aphanizomenon, модель практически не менялась (R=0,94; R2 =0,88; F=39,9; p < 0.001). Основные характеристики полученной зависимости представлены в таблице 7.
Таблица 7
Характеристики модели зависимости содержания микроцистина в воде от концентрации клеток цианобактерий родов Microcystis и Oscillatoria
| Фактор | Коэффициент b | Ошибка коэффициента b | t критерий Стьюдента | Значимость |
| Константа | 0,1 | 0,4 | 0,34 | 0,74 |
| NMcst* | 0,10 | 0,02 | 5,2 | < 0,001 |
| NOsc** | 0,047 | 0,007 | 6,4 | < 0,001 |
| Примечание - * NMcst - концентрация клеток цианобактерий рода Microcystis в воде; ** NOsc - концентрация клеток цианобактерий Oscillatoria agardhii в воде | ||||
Из модели удалось математически рассчитать пороговые концентрации клеток, при которых будет достигнуто содержание микроцистина в воде в 1 мкг/л, отдельно для цианобактерий рода Microcystis и Oscillatoria agardhii. На основе статистических данных пороговая концентрация клеток цианобактерий рода Microcystis, при которой будет создаваться концентрация микроцистина в воде в 1 мкг/л, составила 9 млн. кл/л, что вполне согласуется с полученными ранее на основе анализа отдельных проб данными. Рассчитанная из статистической модели пороговая концентрация клеток цианобактерий Oscillatoria agardhii, при которой будет создаваться концентрация микроцистина в воде в 1 мкг/л, составила 19 млн. кл/л. Это значение также попадает в диапазон пороговых концентраций, полученных при анализе отдельных проб (6-22 млн.кл/л).
Использование системы мониторинга развития токсичных цианобактерий, рекомендованной ВОЗ, с учетом экологических особенностей Шершневского водохранилища
Безусловно, содержание микроцистина в клетках цианобактерий варьирует в зависимости от физиологического состояния, фазы роста, различных факторов внешней среды. Минимальная концентрация клеток микроцистин- синтезирующих видов цианобактерий Шершневского водохранилища, при которой достигается содержание микроцистина в воде в 1 мкг/л, составила 6 млн.кл/л.
Следует отметить, что по результатам наших исследований цианобактерии Шершневского водохранилища четырех родов Microcystis, Oscillatoria, Anabaena и Aphanizomenon не отличаются по средней токсичности. Следовательно, несмотря на отсутствие продукции микроцистина у цианобактерий родов Anabaena и Aphanizomenon Шершневского водохранилища, опасность их развития сопоставима с таковой при развитии микроцистин синтезирующих видов.
Таким образом, для Шершневского водохранилища величина 6 млн. кл/л может быть обозначена как первый аварийный уровень концентрации цианобактерий в воде, который требует принятия управленческих решений в соответствии с рекомендациями ВОЗ (Toxic cyanobacteria, 1999). При достижении его рекомендуется произвести оценку концентрации микроцистина в воде водоема и эффективности существующей системы очистки воды по отношению к данному уровню токсинов. Необходимо информировать ответственных лиц в администрации и больницы, где проводят процедуру гемодиализа.
По рекомендации ВОЗ в случае неэффективности существующих систем очистки воды при достижении аварийного уровня 2 (для Шершневского водохранилища - 300 млн.кл/л), необходимо переключиться на альтернативный план водоснабжения, предусмотренный на случай чрезвычайных ситуаций. В реальной ситуации для Шершневского водохранилища действия сводятся к информированию населения об опасности потребления воды без предварительной очистки и настоятельным рекомендациям по использованию фильтров или бутилированной воды. Даже эти меры приведут к серьезному снижению опасности для здоровья населения, по сравнению с отсутствием каких-либо действий, которое наблюдается в настоящее время.
ВЫВОДЫ
1. В Шершневском водохранилище ежегодно в период с июня по сентябрь регистрируется массовое развитие цианобактерий, достигающее максимума – 200 – 300 млн. кл/л в июле-августе. При образовании нагонных явлений концентрация цианобактерий может достигать 8 млрд. кл/л.
2. Доминантами в сообществе цианобактерий Шершневского водохранилища являются представители четырех родов: Aphanizomenon, Microcystis, Oscillatoria, Anabaena. Доминирование цианобактерий рода Anabaena за анализируемый период (2004 – 2007 гг.) наблюдалось только в июне, цианобактерии рода Aphanizomenon могут доминировать с июня по октябрь, но наиболее часто в июле. В дальнейшем в зависимости от экологических условий в водоеме начинают доминировать цианобактерии родов Microcystis (преимущественно в августе) или Oscillatoria (сентябрь).
3. В Шершневском водохранилище в летний период происходит массовое развитие токсичных цианобактерий, обладающих гепатотропным, нейротоксическим и раздражающим действием. Среднее значение ЛД50 цианобактерий в пересчете на сухой вес составляет 126 мг/кг (доверительный интервал 103 – 154 мг/кг). В соответствии с классификацией ВОЗ, пробы цианобактерий в 49% случаев являются высокотоксичным (ЛД50 < 100мг/кг); 49% – к умеренно токсичным (ЛД50 100-500 мг/кг); 2% проб цианобактерий были низкотоксичными (ЛД50 500 – 1000 мг/кг). Не выявлено закономерных сезонных изменений токсичности цианобактерий; резкие спады токсичности наблюдались в случае деградации клеток цианобактерий.
4. Цианобактерии Aphanizomenon flos-aquae, Oscillatoria agardhii, Anabaena flos-aquae, а также цианобактерий рода Microcystis Шершневского водохранилища сопоставимы между собой по токсичности. Цианобактерии родов Microcystis и Oscillatoria синтезируют микроцистин. Цианобактерии Aphanizomenon flos-aquae и Anabaena flos-aquae Шершневского водохранилища не синтезируют микроцистин или синтезируют его в ничтожно малых количествах, а их токсичность определяется другими токсинами.
5. Развитие цианобактерий рода Microcystis в среднем в количестве 9 млн. кл/л или цианобактерий рода Oscillatoria в количестве 19 млн. кл/л приводит к повышению концентрации микроцистина воде в среднем до 1 мкг/л. Минимальная концентрация клеток цианобактерий в воде, приводящая к созданию концентрации микроцистина в воде 1 мкг/л составляет 6 млн. кл/л.
6. Система мониторинга развития токсичных цианобактерий, рекомендованная ВОЗ, адаптирована для использования в условиях Шершневского водохранилища.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
- Пряхин Е.А., Тряпицына Г.А., Ячменев В.А., Бурмистрова А.Л., Андреев С.С., Сафонова Е.В. (Гаврилова), Дерябина Л.В., Коломиец И.А., Чернов К.С. Оценка токсических свойств цианобактерий Шершневского водохранилища Челябинской области // Гигиена и санитария. 2008. № 1. С. 73-75.
- Тряпицына Г.А., Сафонова Е.В. (Гаврилова), Жолдакова З.И., Синицына О.О., Дерябина Л.В., Коломиец И.А., Андреев С.С., Ячменев В.А., Пряхин Е.А. Влияние токсинов цианобактерий рода Microcystis Шершневского водохранилища на ДНК, клеточный цикл и апоптоз клеток костного мозга у мышей линии СВА // Гигиена и санитария. 2008. № 4. С. 69 – 72.
Публикации в других изданиях
- Сафонова Е. В. (Гаврилова) Оценка влияния различных факторов на токсичность цианобактерий Шершневского водохранилища // Вестник Челябинского государственного университета. Биология. Вып. 1. №4 (105). 2008. – С. 134-137.
- Пряхин Е.А., Ячменев В.А., Дерябина Л.В., Тряпицына Г.А., Андреев С.С., Сафонова Е.В. (Гаврилова) Устюгова Т.Ю., Чернов К.С., Бурмистрова А.Л. Оценка токсического и раздражающего действия цианобактерий Шершневского водохранилища // Безопасность биосферы: Сборник тезисов докладов/ Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2005. С. 63.
- Коломиец И.А., Возилова А.В., Сафонова Е.В. (Гаврилова), Андреев С.С., Тряпицына Г.А. Определение эффективности микроядерного теста для оценки влияния цианобактерий Шершневского водохранилища на генетический аппарат клеток животных и человека // Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области: Материалы Межрегиональной научно-практической конференции, Челябинск: Челяб. гос. ун-т. 2005. С. 152-155.
- Тряпицына Г.А., Андреев С.С., Сафонова Е.В. (Гаврилова), Пряхин Е.А. Динамика токсичности цианобактерий Шершневского водохранилища в течение вегетационного периода 2005 года // Экологическая политика в обеспечении устойчивого развития Челябинской области: Материалы Межрегиональной научно-практической конференции, Челябинск: Челяб. гос. ун-т. 2005. С. 167-169.
- Пряхин. Е.А., Ячменев В.А., Дерябина Л.В., Тряпицына Г.А., Андреев С.С., Сафонова Е.В. (Гаврилова), Устюгова Т.Ю., Чернов К.С., Бурмистрова А.Л. Токсические свойства цианобактерий Шершневского водохранилища // Экологические проблемы Челябинской области: тез. региональной конф., 13 октября 2004г., г. Челябинск. – Челябинск, 2004. – С. 15-16.
- Сафонова Е.В. (Гаврилова) Оценка цитотоксического и генотоксического действия цианобактерий Шершневского водохранилища // Адаптация биологических систем к естественным и экстремальным факторам среды : материалы I Междунар. науч.-практ. конф., 9-11 октября 2006 г. Челябинск, 2006. С.148-151.
- Пряхин Е.А., Ячменев В.А., Дерябина Л.В., Тряпицына Г.А., Андреев С.С., Сафонова Е.В. (Гаврилова), Устюгова Т.Ю., Чернов К.С., Бурмистрова А.Л. Оценка токсического и раздражающего действия цианобактерий Шершневского водохранилища // Безопасность биосферы: Сборник тезисов докладов. Екатеринбург, 2005. С. 63.
- Пряхин Е.А., Тряпицына Г.А., Сафонова Е.В. (Гаврилова), Андреев С.С., Коломиец И.А., Белоногова С.П., Ячменев В.А. Значение определения токсических свойств цианобактерий при оценке опасности воды поверхностных водоемов для здоровья населения // Охрана водных объектов Челябинской области. Проблемы и пути их решения в условиях современного законодательства. Сборник докладов и сообщений областной научно-практической конференции. Челябинск, 2007. С.78-81.
- Ячменев В. А., Тряпицына Г. А., Сафонова Е.В. (Гаврилова), Андреев С.С., Коломиец И.А., Дерябина Л.В., Ходоровская Н.И., Пряхин Е.А. К вопросу о качестве воды поверхностных источников питьевого водоснабжения // Экологический ежегодник. 2008. № 2. С.36-37.
- Сафонова Е.В. (Гаврилова), Тряпицына Г. А., Ячменев В.А., Андреев С.С., Коломиец И.А., Пряхин Е.А. Влияние различных факторов на токсичность цианобактерий // Охрана водных объектов Челябинской области. Современные технологии водопользования. Сборник докладов и сообщений областной ежегодной научно-практической конференции. Челябинск, 2008. С.152-157.
- Дерябина Л.В., Ходоровская Н.И., Сафонова Е. В. (Гаврилова), Пряхин Е.А., Ячменев В.А. Экологическое состояние Шершневского водохранилища в 2007 году // Охрана водных объектов Челябинской области. Современные технологии водопользования. Сборник докладов и сообщений областной ежегодной научно-практической конференции. Челябинск, 2008. С.132-135.
- Тряпицына Г.А., Сафонова Е.В. (Гаврилова), Духовная Н.И., Дерябина Л.В., Коломиец И.А.. Пряхин Е.А. Оценка влияния токсинов цианобактерий рода Microcystis на клеточный цикл и апоптоз клеток костного мозга у мышей. //Вестник Российской военно-медицинской академии. 2008. Приложение 2 (часть 1). С. 103.
- Сафонова Е.В. (Гаврилова), Андреев С.С., Пряхин Е.А. Оценка влияния различных факторов на токсичность цианобактерий Шершневского водохранилища (г. Челябинск) //Вестник Российской военно-медицинской академии. 2008. Приложение 2 (часть 1). С. 446.
- Гаврилова Е.В., Ячменев В.А., Пряхин Е.А. Влияние различных природных факторов на токсичность цианобактерий Шершневского водохранилища // Экология в высшей школе: синтез науки и образования. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, 30 марта – 1 апреля 2009 г. Челябинск, 2009. С. 195-197.
- Пряхин Е.А., Гаврилова Е.В., Дерябина Л.В., Андреев С.С., Попова И.Я. Характеристика видового состава и количественного развития фитопланктона водоема В-11 Теченского каскада водоемов // Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин: Сборник научных трудов. Выпуск 12. (под ред. В.И. Мигунова, А.В. Трапезникова) Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2009. С. 257 – 270.
- Пряхин Е.А., Мокров Ю.Г., Тряпицына Г.А., Дерябина Л.В., Андреев С.С., Коломиец И.А., Гаврилова Е.В., Белоногова С.П., Богданов Г.О., Духовная Н.И., Стукалов П.М., Александрова О.Н., Ровный С.И., Аклеев А.В. Современное состояние экосистемы водоема В-11 Теченского каскада водоемов // Вопросы радиационной безопасности. 2009. Специальный выпуск. С. 30-49.
