ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ ДО И ПОСЛЕ ИХ БАКТЕРИАЛЬНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ НА ТЕМПЫ РАЗВИТИЯ ДРОЗОФИЛЫ

Камская Виктория Александровна

магистрант кафедры генетики и молекулярной биологии Одесского национального университета имени И.И. Мечникова, г. Одесса

E-mail: torykart.kv@gmail.com

Андриевский Александр Михайлович

канд. биол. наук, доцент кафедры генетики и молекулярной биологии ОНУ имени И.И. Мечникова, г. Одесса

Горнодобывающая промышленность является одним из наиболее мощных факторов антропогенного преобразования окружающей среды. Тысячи предприятий в мире ежегодно перерабатывают горнорудные породы. Однако на сегодняшний день используется лишь небольшая их часть, а все остальное накапливается в виде отходов, которые рассеваются естественными миграционными процессами, в результате чего они являются источниками загрязнения окружающей среды [1, с. 210]. В связи с этим большое внимание уделяется исследованиям влияния различных поллютантов на живые организмы и на биологическую систему в целом. Для этого, как правило, оценку токсичности изучаемых техногенных отходов проводят на растительных и животных тест-объектах [7, с. 125].

В данной работе в качестве тест-объекта была выбрана плодовая мушка дрозофила, использование которой дало возможность определить воздействие на темп развития животного организма твердой фазы техногенных отходов Львовско-Волынского угольного бассейна и зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС до и после их бактериального выщелачивания.

Исследования проводили, используя лабораторную популяцию вида Drosophila simulans, которая является удобным экспериментальным объектом ввиду быстрой сменяемости поколений, легкого разведения, маленьких размеров, многочисленности потомства, безвредности (не является переносчиком возбудителей заболеваний), стабильного соотношения полов [4, с. 20]. На сегодняшний день дрозофила является оптимальным тест-объектом в связи с наибольшей изученностью по сравнению с другими живыми объектами. Долгое время её использовали в области медицины для биотестирования, на что указывают многочисленные литературные источники, в частности работы Медведева, Леонидова. Впервые данную методику биотестирования для оценки токсичности отходов горнодобывающей промышленности использовала С.В. Азарова.

Целью данной работы было определить влияние проб твердой фазы техногенных отходов Львовско-Волынского угольного бассейна и зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС до и после их бактериального выщелачивания на темп развития потомков первого и второго поколений, которые культивировались на питательной среде с разным процентным содержанием пудры техногенных отходов и сопоставить их с данными полученными в контрольном варианте.

Согласно [2, с. 178], минералогический состав породы отвала представлен следующими компонентами: аргиллит — 97 %, алевролит — 17—28 %, песчаник — 2—20 %, уголь — 1—17 %, пирит — 1 %, влага — 6—7 %. Химический состав породы (средний по 4 видам) следующий: SiO₂ — 56,2 %; Fe₂SO₄ — 10,18 %; Al₂O₃ — 23,7 %; CaO — 0,99 %; MgO — 0,73 %; K₂O — 2,44 %; Na₂O — 0,5 %; SO₃ — 7,55 %; TiO₂ — 1,09 %. Содержание микро- и ультра микроэлементов определяли методом атомно-адсорбционной фотометрии [2, с. 178].

В таблицах 1; 2 приведены результаты определения содержания микро- и ультра микроэлементов (всего было определено 21 элемент из отобранных 212 образцов грунта в соответствии [5, с. 15]), а именно тяжелых металлов, таких как свинец, никель, медь, цинк, роль которых в жизни растений примерно известна. Что касается других элементов, то их значение для метаболизма животных изучено в недостаточной степени. В то же время все эти элементы являются экологически важным фактором, поэтому изучение их количественного состава является очень актуальным [3, с. 178].

Таблица 1.

Содержание микроэлементов в породе отвала (г/т)

Таблица 2.

Содержание редкоземельных элементов в породе отвала (г/т)

Согласно [9, с. 670], химический состав твердой фазы зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинськой ТЭС, которая работает на Павлоградском угле, представлен следующими компонентами: SiO₂  — 46—55 %; CaO — 1—1,6 %; Al₂O₃ — 19—25 %; Fe₂O₃ — 9—12 %; SO₂ — 0,5—0,7 %.

В таблицах 3 и 4 представлены результаты содержания микро- и ультра микроэлементов, которые были получены при использовании метода спектрального анализу, проведенного в центральной лаборатории ДРГП «Донецкгеология».

Таблица 3.

Содержание микроэлементов в пробе зола шлаковых техногенных отходов, %

Таблица 4.

Содержание редкоземельных элементов в пробе зола шлаковых техногенных отходов, %

Для экстракции металлов техногенных отходов Львовско-Волынского угольного бассейна и металлов зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС использовали метод микробиологического выщелачивания, для чего была применена выщелачивающая середа 9К в присутствии железа. Выщелачивание проводили при использовании чистой и ассоциированной бактериальной культуры Acidithiobacillus ferrooxidans.

Среда 9К была создана на основе стандартного минерального фона бактериальной питательной среды 9К и имела следующий состав:

(NH₄)₂SO₄ — 3,0 г,

MgSO₄ — 0,5 г,

K₂HPO₄ — 0,5 г,

KCl — 0,1 г,

Ca(NO₃)₂ — 0,01 г.

В результате бактериального выщелачивания техногенных отходов Львовско-Волынского угольного бассейна была достигнута, независимо от того, происходил процесс выщелачивания чистой культурой или же ассоциированной, — 100 %-ная экстракция Ga, Ni, Mg. В таблице 5 представлены результаты экстракции металлов, при выщелачивании их разными бактериальными культурами.

В результате бактериального выщелачивания зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС была достигнута, независимо от того, было ли выщелачивания чистой культурой, или ассоциированной — 100 %-ная экстракция Cd и Ni, 87 %-ная экстракция Zn, 68 %-ная экстракция Cu и 66 %-ная экстракция Pb.

Таблица 5.

Эффективность экстракции металлов техногенных отходов Львовско-Волынского угольного бассейна, %

Контрольный вариант — четырехкомпонентная питательная среда, приготавливаемая по модифицированной методике, которая описана в литературе [7, с. 294].

Для определения темпа развития Drosophila simulans в опытных и контрольных вариантах в период процесса прохождения онтогенеза фиксировали время продолжительности каждой фазы развития. Полученные данные сравнивали с данными имеющимися в литературе, описывающими длительность протекания каждой стадий развития в процессе прохождения онтогенеза при нормальных условиях.

В ходе экспериментов определяли продолжительность стадий развития потомков первого и второго поколений на контрольных и опытных вариантах питательных сред, с разным содержанием пудры техногенных отходов. На рисунках 1, 2 и 3 показана продолжительность всех стадий развития плодовой мушки Drosophila simulans в зависимости от концентрации техногенных отходов в питательной среде.

Следует отметить то, что во всех проведенных опытах, изучающих влияние техногенных отходов при трех концентрациях (16 %, 8 %, 4 %), которые содержались в питательных средах, как в первом, так и во втором поколениях контрольных вариантов длительность развития была одинакова и соответствовала литературным данным. При развитии мух на среде с 16 % концентрацией техногенных отходов в первом поколении наблюдалась задержка развития на стадии личинки. У дрозофилы, которые культивировали на питательной среде с содержанием зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС на стадии личинки наблюдалась задержка развития на трое суток, относительно контроля, тогда как стадия куколки прошла на 3 суток быстрее. В случае изучения влияния техногенных отходов Львовско-Волынского угольного бассейна задержка на стадии личинки составила 2 суток, а на стадии куколки наблюдалось ускорение процесса развития на 2 суток. Кроме того, все родительские имагинальные особи, которые находились на питательных средах, содержащих техногенные отходы, практически одновременно погибали в течение 8 суток. Во втором поколении в обоих опытных вариантах наблюдалась задержка на стадии яйца в два раза по сравнению с контролем, однако в дальнейшем время задержки было компенсировано на последующих стадиях развития. Родительские формы второго поколения, так же как и первого поколения, практически одновременно погибали в течении 6 суток.

Рисунок 1. Влияние проб техногенных отходов (16 %) на темп развития Drosophila simulans

где: 16 % — концентрация пробы в питательной среде.

К — контрольный вариант;

Л-В — проба техногенных отходов Львовско-Волынского Угольный бассейна;

Ла — проба зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС.

У потомков первого поколении при 8 % содержании техногенных отходов в питательной среде в обоих случаях наблюдалась задержка развития на стадии яйца в два раза, относительно контроля. Несмотря на это в дальнейшем наблюдалось ускорение развития, как на стадии личинки, так и на стадии развития куколки. Техногенные отходы Львовско-Волынского угольного бассейна оказывали более стимулирующий эффект чем зола-шлаковые техногенные отходы. При данном процентном содержания техногенных отходов все родительские особи погибали в течение 7-х суток. Во втором поколении в присутствии техногенных отходов Львовско-Волынского угольного бассейна, наблюдали стандартное время развития на стадии яйца, однако на последующих стадиях вновь наблюдалось ускорение темпа развития. В присутствии зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС у потомков второго поколения, как и у потомков первого, наблюдалось ингибирование темпа развития на стадии яйца, тогда как на стадиях личинки и куколки — небольшое ускорение развития. При этом родительские особи потомков второго поколения погибали к седьмым суткам.

Рисунок 2. Влияние проб техногенных отходов (8 %) на темп развития Drosophila simulans:

где: 8 % – концентрация пробы в питательной среде.

К — контрольный вариант;

Л-В — проба техногенных отходов Львовско-Волынского Угольный бассейна;

Ла — проба зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС.

У потомков первого поколения, развивавшихся на питательной среде с 4 % концентрацией бактериально необработанных техногенных отходов наблюдалось ингибирование процесса онтогенеза. Наиболее ингибирующий эффект в ходе онтогенеза оказали зола-шлаковые техногенные отходы.

Рисунок 3. Влияние проб техногенных отходов (4 %) на темп развития Drosophila simulans:

где: К — контрольный вариант;

Л-В — проба техногенного отхода Львовско-Волынского Угольного бассейна;

Ла — проба техногенного зола-шлакового отхода Ладыжинской ТЭС;

А.К.Л-В — проба техногенного отхода Львовско-Волынского Угольного бассейна обработанная ассоциированной культурой;

А.К.Ла — проба зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС обработанная ассоциированной бактериальной культурой;

Ч.К. Л-В — проба техногенных отходов Львовско-Волынского Угольного бассейна обработанная чистой бактериальной культурой;

Ч.К.Ла — проба зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС обработанная чистой бактериальной культурой.

При их воздействии, как на потомков первого, так и на потомков второго поколений наблюдалась значительная задержка развития всех фаз по сравнению с контрольным вариантом. Родительские формы погибали течение 6-х суток. В случае воздействия техногенных отходов Львовско-Волынского угольного бассейна – родительские особи постепенно погибали в течение 8—10-х суток. На среде содержащей бактериально обработанные техногенные отходы наблюдалось незначительное ускорение на стадии куколки. Наиболее приближенные к контролю по продолжительности варианты развития наблюдались в присутствии техногенных отходов, которые были обработаны чистыми бактериальными культурами. Особенно это относится к зола-шлаковым техногенным отходам.

 Выводы

1.  По данным полученным при изучении влияния техногенных отходов на темпы развития Drosophila simulans оказалось, что под влиянием бактериально необработанных техногенных отходов, в зависимости от уровня их токсичности наблюдалась задержка развития на стадиях яйца и личинки, тогда как на стадии куколки зафиксировано ускорение.

2.  По данным полученным при изучении влияния техногенных отходов на темпы развития Drosophila simulans оказалось, что наиболее приближенные результаты к контрольному варианту наблюдаются под действием бактериально обработанных техногенных отходов.

3.  По данным полученным при изучении влияния бактериально обработанных техногенных отходов — наиболее приближенные данные к контрольному варианту были отмечены прод воздействием зола-шлаковых техногенных отходов Ладыжинской ТЭС, которые были обработаны чистой бактериальной культурой Acidithiobacillus ferrooxidans.

Список литературы:

1.Азарова С.В. Отходы горно-добывающих предприятий и комплексная оценка их опасности для окружающей среды (на примере объектов республики Хакасия): Дис. … канд. геоэколог. — Томск, 2005. — 210 с.

2.Баранов В.И. Экологическое описание породного отвала угольных шахт ЦОФ ЗАО «Львівсистеменерго», как объекта для озеленения // Вестник Львовского университета. Сэр. биол. — 2008. — Вып. 46. — 178 с.

3.Башуцька У. Сукцесії рослинності породних відвалів шахт Червоноградського гірничопромислового району. Львів: РВВ НЛТУ України, 2006. — 178 с.

4.ГОСТ 3.16.4.3. Определение генотоксичности и мутагенности веществ по их действию на плодовую муху Drosophila melanogaster. — 2001. — 20 c.

5.ГОСТ 17.4.4.02-84. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. — 1998. — 15 с.

6.Медведев Н.Н. Практическая генетика. — М.: Наука, 1968. — 294 с.

7.Мирзоян А.В. Создание и апробация генетико-биохимической тест — системы для мониторинга мутагенности окружающей среды с использованием листьев древесных растений.: Дис. … канд. биол. наук. Ростов н/Д., 2001. — 125 с.

8.Немчинов Ю.И., Попруга П.В., Шейнич Л.А., Гирштель Г.Б. Тенденция н направления внедрения бетонов нового поколения в Украине // Державне підприємство «Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій» Міністерства регіонального розвитку та будівництва України. — К.: ДП НДІБК, 2009. — Вип. 72. — 670 с.