Study of interaction of xenobiotics with macrophytes in experimental aquatic ecosystems

Cover Page

Cite item

Abstract

Phytotoxicity of three types of organic xenobiotics (ethyl acetate, butanol-1, tetrachloromethane) was evaluated when three macrophyte species Ceratophyllum demersum , Elodea canadensis , Chara fragilis were exposed. Pollutant concentrations of 5 and 10 MAC (maximum allowable concentration) were created in microcosms. Incubation lasted for 14 days. New information was obtained experimentally that C. fragilis macrophyte is a highly sensitive test object, which can be used for bioindication purposes. Xenobiotics had no toxic effects on E. canadensis , so it can be considered for phytoremediation purposes. The data obtained are necessary for the development of phytotechnologies for water purification. A number of conditions under which these plant species can be used for ecotechnology are shown.

Full Text

Введение На сегодняшний день одним из комплексных актуальных вопросов в экологии остается проблема загрязнения водной среды, масштабность которого с каждым годом растет. Оно оказывает значимое влияние на почвенное и атмосферное состояние среды. В результате активной хозяйственной деятельности человека в различные водные системы могут поступать различные токсиканты, имеющие разный уровень токсического воздействия. Часто такие токсиканты оказывают губительное воздействие на биоорганизмы [1]. Изучение экологии водных организмов (гидробионтов) выявило новые примеры того, как они воздействуют на физические и химические параметры окружающей среды [2; 3], в том числе на свойства гидросферы [4; 5]. В литературе мало информации о воздействии органических ксенобиотиков на макрофиты, поэтому актуально их исследование и на таких организмах, как высшие водные растения. Необходимо продолжение изучения и сопоставления фактов о взаимодействии растений с различными видами ксенобиотиков [6]. Причинами поступления в биосферу органических загрязнителей являются различные виды антропогенного (техногенного) загрязнения среды, а местом их накопления - многие компоненты биосферы, в том числе водные экосистемы и водные макрофиты [7]. В последнее время все острее стоит проблема загрязнения водных объектов вредными компонентами. Например, сегодня в Волгу поступает 20 кубокилометров сточных вод в год. Для их разбавления «до нормы» требуется 600 кубокилометров чистой воды, а среднегодовой сток Волги составляет только 250. Отсюда можно сделать вывод, что воды Волги более чем в 3 раза «грязнее» допустимого. От этих загрязнений страдает не только Волга, но и Каспийское море, в которое она впадает [8]. Вследствие антропогенного влияния в окружающую среду и, в частности, в пресноводные системы в глобальном масштабе поступают большие количества токсичных органических веществ разной степени опасности: этилацетат, бутанол-1, тетрахлорметан. Пары данных ксенобиотиков являются элементом кислотных дождей. Ксенобиотики могут использоваться на стройплощадках, вода от которых может отводиться в канализацию или непосредственно в землю или водоемы. Органические поллютанты ведут к отравлению грунтовой воды и разрушению жизни в естественных водоемах [9]. Этилацетат - это уксусноэтиловый эфир (СН3СООС2Н5), который довольно часто применяется как растворитель из-за невысокой стоимости препарата и относительно небольшой токсичности используемого вещества. Годовое мировое производство этилацетата растет. Например, в Соединенных Штатах Америки производство этилового спирта выросло в 10 раз, а его годовое производство составило 1,2-1,3 млрд[2]. ПДК 0,2; класс опасности - 2 (табл. 1). Известно, что в Москве 2 февраля 2015 г. произошла значительная утечка этилацетата. Запах вещества ощущался по всему юго-западному округу с населением 1 437 242 чел.[3] Бутанол-1 представляет собой первичный спирт, который широко применяется в народном хозяйстве в качестве растворителя лакокрасочных изделий, различных смол (натуральных и синтетических), растительных масел и алкалоидов. Бутанол-1 широко используется фармацевтической (создание препаратов и химикалий), кожевенно-обувной, текстильной и химической промышленностью. Физико-химическое воздействие бутанола-1 на пресноводные экосистемы неизвестно[4]. ПДК 0,1; класс опасности - 2 (табл. 1). Таблица 1 ПДК в водоемах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования используемых веществ[5] Вещество ПДК, мг/л Класс опасности Этилацетат 0,2 2 Бутанол-1 0,1 2 Тетрахлорметан 0,002 1 Table 1 MPC in the reservoirs of economic-drinking and cultural-household water use of the used substances[6] Substance MPC, mg/L Hazard class Ethyl acetate 0.2 2 Butanol-1 0.1 2 Carbon tetrachloride 0.002 1 Тетрахлорметан (четыреххлористый углерод, фреон-10, хладон-10, CCl4) нашел широкое применение в народном хозяйстве страны в качестве растворителя различных смол, жиров, лакокрасочных изделий и т. д. Вместе с этим существует предположение, что тетрахлорметан может оказывать разрушительное воздействие на озоновый слой Земли. Ядовит как в жидком, так и в парообразном виде[7]. ПДК 0,002; класс опасности - 1 (табл. 1). Сегодня основными источниками тетрахлорметана являются промышленные утечки и места захоронения отходов, содержащих это вещество. В прошлом, когда четыреххлористый углерод широко использовался, он был основным веществом, загрязняющим воздух в помещении. Считается, что у него нет естественных источников. К особенностям физико-химических реакций тетрахлорметана относят: 1) способность аккумулироваться в больших количествах в водных объектах; 2) достигающую года продолжительность разрушения в озерах и грунтовых водах. Известно о большой утечке тетрахлорметана в удмуртском поселке Балезино 21 марта 2012 г., когда произошел несанкционированный слив нескольких десятков тонн опасных химических отходов в заброшенное хранилище битума. Как сообщало республиканское управление Росприроднадзора, в железнодорожных цистернах находился четыреххлористый углерод[8]. Последствия этого инцидента для окружающей среды скрыты. Вопросы оценки токсичности химических веществ тесно связаны с обширным кругом фундаментальных и прикладных проблем экологических наук. В настоящей статье сообщается о новых фактах фитотоксичности органических ксенобиотиков, ранее не исследованных на водных макрофитах. Поэтому важное значение имеют методы фитотестирования, которые помогают в оценке токсичности химических веществ и дают возможность проведения комплексного экологического мониторинга токсичности без использования животных в качестве биообъекта, что важно с точки зрения требований биоэтики [10]. Статья является продолжением ранее опубликованных работ, посвященных исследованиям в области факториальной экологии. Взаимодействие макрофитов с данными веществами происходило впервые. Получена новая информация, необходимая для развития основ фитотехнологий по очищению водных экосистем. В предыдущей работе изучалось воздействие нитробензола, этилбензола, анилина, ксилола и стирола на высшие водные растения [9]. Также было проведено исследование по выявлению токсичности СПАВ-содержащего смесевого препарата при взаимодействии с водной растительностью [11]. Цель работы - выявить фитотоксичность органических ксенобиотиков (этилацетат, бутанол-1, тетрахлорметан) для трех видов высших водных растений (Ceratophyllum demersum, Elodea canadensis, Chara fragilis). Материалы и методы В качестве тест-объектов использовались Ceratophyllum demersum L. (роголистник темно-зеленый, семейство Роголистниковые - Ceratophyllaceae G.), Elodea canadensis Mchk. (элодея канадская, семейство Водокрасовые - Hydrocharitaceae Juss.), Chara fragilis L. (хара ломкая, семейство Харовые - Characeae L.). Диапазон жизни Ceratophyllum demersum доходит до 66 параллели северной широты, Chara fragilis - до 69 параллели. Elodea canadensis распространена во многих местах по всему миру. В естественных условиях быстро размножается, поэтому ее называют водяной чумой. Одной ее веточки достаточно, чтобы заполнить собой через несколько лет весь пруд или даже реку. До проведения опытов эти виды макрофитов содержались в условиях оранжереи в ботаническом саду Московского государственного университета в больших резервуарах с водой, прошедшей обработку фильтрацией через мембраны. Все изучаемые в данной работе органические вещества являются токсикантами как для окружающей среды, так и для человека. Концентрации загрязняющих веществ в микрокосмах подбирались таким образом, чтобы составлять по 5 и 10 ПДК каждое. Использовали ПДК для водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (см. табл. 1). Опыты проводили в пресноводных микрокосмах. Всего было задействовано 36 микрокосмов + 3 контрольных микрокосма без добавления ксенобиотиков. Итого: 39 экспериментальных систем (табл. 2). Таблица 2 Состав микрокосмов Вещество Добавка 5 ПДК, номера микрокосмов, названия макрофитов и вес побегов в граммах Добавка 10 ПДК, номера микрокосмов, названия макрофитов и вес побегов в граммах Ceratophyllum demersum Ceratophyllum demersum Этилацетат 1A-32,2 1B-41,7 1C-28,9 1D-29,1 Бутанол-1 2A-30,0 2B-51,2 2C-24,6 2D-26,2 Тетрахлорметан 3A-31,7 3B-32,5 3C-27,5 3D-23,8 Elodea canadensis Elodea canadensis Этилацетат 4A-28,2 4B-28,6 4C-29,7 4D-27,6 Бутанол-1 5A-23,0 5B-25,3 5C-29,8 5D-29,0 Тетрахлорметан 6A-23,7 6B-24,0 6C-23,7 6D-20,1 Chara fragilis Chara fragilis Этилацетат 7A-35,8 7B-43,5 7С-51,4 7D-55,6 Бутанол-1 8A-44,0 8B-53,8 8C-50,0 8D-47,1 Тетрахлорметан 9A-45,5 9B-52,0 9C-50,2 9D-42,6 Table 2 Composition of microcosms Substance Supplement 5 MPC, microcosm numbers, macrophyte names, and shoot weight in grams Supplement 10 MPC, microcosm numbers, macrophyte names, and shoot weight in grams Ceratophyllum demersum Ceratophyllum demersum Ethyl acetate 1A-32,2 1B-41,7 1C-28,9 1D-29,1 Butanol-1 2A-30,0 2B-51,2 2C-24,6 2D-26,2 Carbon tetrachloride 3A-31,7 3B-32,5 3C-27,5 3D-23,8 Elodea canadensis Elodea canadensis Ethyl acetate 4A-28,2 4B-28,6 4C-29,7 4D-27,6 Butanol-1 5A-23,0 5B-25,3 5C-29,8 5D-29,0 Carbon tetrachloride 6A-23,7 6B-24,0 6C-23,7 6D-20,1 Chara fragilis Chara fragilis Ethyl acetate 7A-35,8 7B-43,5 7С-51,4 7D-55,6 Butanol-1 8A-44,0 8B-53,8 8C-50,0 8D-47,1 Carbon tetrachloride 9A-45,5 9B-52,0 9C-50,2 9D-42,6 В качестве контроля взяли по одному пресноводному микрокосму на каждый вид растения. В микрокосмы добавляли ксенобиотики по 5 ПДК, данная концентрация равнялась: этилацетат - 1 мг/л, бутанол-1 - 0,5 мг/л, тетрахлорметан - 0,01 мг/л (см. табл. 1). Добавка ксенобиотиков в микрокосмы по 10 ПДК составила: этилацетат - 2 мг/л, бутанол-1 - 1 мг/л, тетрахлорметан - 0,02 мг/л (см. табл. 1). После создания микрокосмов их инкубировали в условиях естественной фотопериодичности при температуре воды 22 ± 2 °С в течение 14 суток (2 недели). Результаты и обсуждение Наблюдения за микрокосмами показали, что тестируемые органические ксенобиотики проявляли неодинаковую токсичность к водным растениям. У роголистника (C. demersum) не было признаков фитотоксичности на протяжении всего эксперимента при взаимодействии с тетрахлорметаном. В микрокосмах, где был инкубирован C. demersum вместе с веществами этилацетат и бутанол-1 в концентрации 10 ПДК, на третьи сутки появились неприятный запах и мутность воды и ощущался запах добавленных веществ. В концентрации 5 ПДК вода не была мутной, но присутствовал запах веществ. На четвертые сутки макрофит C. demersum погиб в концентрации 10 ПДК под воздействием этилацетата и бутанола-1. Наблюдались следующие негативные явления в сосудах 1С, 1D, 2C, 2D: сильная мутность воды, запах гнили, практически отсутствие тургора. В концентрации 5 ПДК с C. demersum (1А, 1В, 2A, 2B) вода начала мутнеть, тургор снижаться. На пятые сутки констатируется гибель C. demersum во всех концентрациях с этилацетатом и бутанолом-1 (1А, 1В, 1С, 1D, 2A, 2B, 2C, 2D). Во всех микрокосмах общие признаки фитотоксичности: сильная мутность воды, запах гнили, отсутствие тургора растений. Необходимо дополнительное изучение токсического воздействия органических ксенобиотиков в отношении C. demersum. У элодеи (E. canadensis), как и у роголистника (C. demersum) не было признаков фитотоксичности на протяжении всего эксперимента при взаимодействии с терахлорметаном. Фитотоксический эффект у E. canadensis от этилацетата и бутанола-1 наблюдался только на шестые сутки и только в микрокосмах с концентрацией 10 ПДК (4С, 4D, 5C, 5D). Появился гнилостный запах. Запах добавленных веществ фиксировался в течение всего инкубационного периода. По-видимому, побеги E. canadensis погибли в концентрации 10 ПДК (4С, 4D, 5C, 5D). На восьмые сутки у E. canadensis в концентрации 5 ПДК в сосудах с этилацетатом (4А, 4В) наблюдалась небольшая мутность, но неприятного запаха не было и тургор не снижался. В микрокосмах с бутанолом-1 (5А, 5В) ощущался запах вещества и наблюдались незначительное снижение тургора и мутность воды. На последние (четырнадцатые) сутки в концентрации 5 ПДК в микрокосмах (4А, 4В, 5А, 5В) с добавлением этилацетата и бутанола-1 побеги E. canadensis сохранили жизнеспособность. Тургор в норме, запахи добавленных веществ и гнилостные процессы отсутствовали, но имелось небольшое количество отмерших побегов в микрокосмах: 4А - 3 %, 4В - 5 %, 5А - 8 %, 5В - 6 %. Самым чувствительным тест-объектом к загрязняющим веществам оказалась хара ломкая (C. fragilis). Вода сильно помутнела на вторые сутки в сосудах с C. fragilis при взаимодействии с тетрахлорметаном (9А, 9В, 9C, 9D) и бутанолом-1 (8А, 8В, 8C, 8D). Небольшая мутность воды была в микрокосмах с этилацетатом (7А, 7В, 7C, 7D). На третьи сутки фиксируется гибель C. fragilis во всех сосудах, во всех концентрациях. На четвертые сутки в микрокосмах, где C. fragilis взаимодействовала с бутанолом-1 (8А, 8В, 8C, 8D) и этилацетатом (7А, 7В, 7C, 7D), происходили гнилостные процессы, отмечались сильная мутность воды, снижение тургора, ярко выраженный запах гнили, образовалась плотная густая пленка на поверхности воды. В сосудах с тетрахлорметаном (9А, 9В, 9C, 9D) фитотоксические эффекты были выражены чуть меньше: легкий запах гнили, слабая мутность воды, снижение тургора, густая пленка на поверхности воды. В контрольных микрокосмах никаких изменений во время инкубационного периода не наблюдалось. Заключение По проведенному биотестированию гидробионтов можно сделать следующие выводы. 1. Самым слабым из использованных гидробионтов оказалась хара (C. fragilis). Она погибла раньше всех во всех концентрациях и при взаимодействии со всеми испытанными ксенобиотиками. Опыт показал, что макрофит C. fragilis является высокочувствительным тест-объектом, который можно использовать при проведении биоиндикации. 2. E. canadensis смогла выдержать загрязнение всеми тремя ксенобиотиками, участвующими в опыте (этилацетат, бутанол-1, тетрахлорметан). Это делает элодею потенциальным фиторемедиационным видом, который можно использовать на практике для разработки фитотехнологий по восстановлению водоемов от химического загрязнения. 3. Тетрахлорметан не проявил токсичности при взаимодействии с C. demersum и E. canadensis. В работе впервые получены доказательства способности элодеи канадской и роголистника темно-зеленого выдерживать определенную степень нагрузки ксенобиотика первого класса опасности (тетрахлорметан). 4. Результаты проведенных экспериментов подтверждают и расширяют сведения о фиторемедиационном потенциале Ceratophyllum demersum (роголистник темно-зеленый), Elodea canadensis (элодея канадская), Chara fragilis (хара ломкая), которые могут быть использованы на практике для разработки новых экотехнологий с целью снижения опасности загрязнения водной среды, что входит в число приоритетов современной экологии. 5. Впервые получены данные о токсичности трех видов органических ксенобиотиков (этилацетат, бутанол-1, тетрахлорметан) по отношению к пресноводной растительности (опыты без использования животных). Изучение устойчивости водных растений к загрязняющим веществам в экспериментальных экосистемах - необходимый компонент в планировании научных основ биотехнологий (фиторемедиация) с использованием макрофитов. Таким образом, полученные данные представляют интерес в связи с возможностью определять устойчивость очистительных фитосистем к нагрузкам высокотоксичных ксенобиотиков.
×

About the authors

Vladislav A. Poklonov

International Independent Eсological and Politological University

Email: warvir@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-2722-7283

Candidate of Biological Sciences, Head of the Laboratory of Water Treatment, Water Purification and Environmental Monitoring of Water Bodies

23 Varshavskoye Shosse, Moscow, 117105, Russian Federation

Viktor V. Glebov

Russian State Agrarian University - Timiryazev Moscow Agricultural Academy

Email: vg44@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3390-161X

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of the Department of Ecology

49 Timiryazevskaya St, Moscow, 127550, Russian Federation

Danara A. Askarova

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: danara.84@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1594-7622

Candidate of the Department of Forensic Ecology with a Course in Human Ecology, Institute of Environmental Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Victoria V. Erofeeva

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: erofeeva-viktori@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0236-1876

Candidate of Biological Sciences, senior lecturer, Department of Forensic Ecology with a Course in Human Ecology, Institute of Environmental Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

Elizaveta V. Anikina

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Author for correspondence.
Email: likanika2008@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1872-1792

Candidate of Biological Sciences, senior lecturer, Department of Forensic Ecology with a Course in Human Ecology, Institute of Environmental Engineering

6 Miklukho-Maklaya St, Moscow, 117198, Russian Federation

References

  1. Mokhova ON, Makedonskaya IY, Novikova YuV, Melnik RA. Estimation of hydrochemichal and hydrobiological aspects of the environment in the Blagopoluchiya bay of Solovetsky island. Ecological Chemistry. 2018;27(5):270–279. (In Russ.)
  2. Dobrovolsky GV. On the development of some concepts of the biosphere doctrine. Water: Technology and Ecology. 2007;(1):63–68. (In Russ.)
  3. Dobrovolsky GV. To the 80th Anniversary of V.I. Vernadsky’s book “Biosphere.” Ecological Chemistry. 2007;(3):135–143. (In Russ.)
  4. Kapitsa AP. Formulation of fundamental principles for foundation of the theory of the apparatus of the biosphere. Environment Ecology and Safety of Life Activity. 2007;(1):68–71. (In Russ.) http://doi.org/10.13140/RG.2.1.4931.2161
  5. Abakumov VA. Innovative approaches to rehabilitation and remediation of polluted water bodies. Water: Technology and Ecology. 2007;(4):69–73. (In Russ.)
  6. Solomonova EA, Ostroumov SA. Tolerance of an aquatic macrophyte Potamogeton crispus L. to sodium dodecyl sulphate. Bulletin of Moscow University. Series 16. Biology. 2007;(4):39–42. (In Russ.)
  7. Poklonov VA, Ostroumov SA. Effect of synthetic surfactants on legume crops. Ecological Chemistry. 2019;28(5):244–249. (In Russ.)
  8. Kasyanenko AA. Modern methods of risk assessment in ecology: textbook. M.: RUDN University; 2008. (In Russ.)
  9. Poklonov VA. The toxic effect of organic xenobiotics on three species of higher aquatic plants. Water: Chemistry and Ecology. 2017;110(8):88–93. (In Russ.)
  10. Ostroumov SA. Toxicity testing of chemicals without the use of animals. Ecological Chemistry. 2016;25(1):5–15. (In Russ.)
  11. Poklonov VA. The study of the stability of freshwater plants to synthetic surfactants-containing mixed product. Bulletin of NEFU. 2017;(2):28–38. (In Russ.)

Copyright (c) 2021 Poklonov V.A., Glebov V.V., Askarova D.A., Erofeeva V.V., Anikina E.V.

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

This website uses cookies

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

About Cookies