ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОТОКСИЧНОСТИ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ Г.ШЫМКЕНТ НА ТЕСТ-ОРГАНИЗМЫ

DETERMINATION OF ECOTOXICITY OF PHOSPHORUS-CONTAINING WASTE IN SHYMKENT ON TEST ORGANISMS

Gulbanu Zhanyuzak

student, Department of Natural Sciences at the Shymkent University,

Kazakhstan, Shymkent

Ruzimukhammad Bakhramov

student,Department of Natural Sciences at the Shymkent University,

Kazakhstan, Shymkent

Ainagul Otarbekova

 doctoral student of M. Auezov South Kazakhstan State University

Kazakhstan, Shymkent

Akmaral U. Issayeva

scientific supervisor, doctor of biology, Professor, Director of the Research Institute of Ecology and Biology, Shymkent University

Kazakhstan, Shymkent

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы было определение экотоксичности фосфорсодержащих отходовпо реакции тест-организмов. В качестве объекта исследования использовались отходы производства фосфорного удобрения: шлаки и шламы, расположенные в виде терриконных отвалов в черте г.Шымкент. При  изучении влияния фосфорсодержащих отходов на организмы-гидробионты в качестве  тест-объектов использовалась накопительная культура различных групп водных тест-организмов. Изучено острое и хроническое влияние 1,0; 5,0 и 10,0 об.% водных суспензий фосфорсодержащих шлака и шлама шлама и шлака на планктонные и бентосные организмы. При проведении экспериментов контролировали острую (от 0 до 3 часов) и хроническую токсичность (12, 24 и 48 часов). Эксперименты проводили в трехкратной повторности с вычислением величины стандартного отклонения при 0.95>Р>0.80. Результаты биотестирования проб фосфорсодержащих техногенных отходов показали, что  1,0 об.% содержания фосфорсодержащих отходов оказывает стимулирующее действие на все группы тест-организмов, что объяснимо наличием такого биогенного элемента как фосфор. Однако дальнейшее увеличение содержания фосфорсодержащих отходов в культивируемых средах до 10,0 об.% привело к гибели большинства простейших, при этом выявлено, что шлак оказывает более токсическое действие, чем шлам. Представители зеленых и диатомовых водорослей оказались самыми устойчивыми к действию токсикантов.

ABSTRACT

The purpose of this work was to determine the ecotoxicity of phosphorus-containing waste and the reaction of test organisms. As an object of research, waste from the production of phosphoric fertilizer was used: slags and slurries located in the form of waste dumps in the city of Shymkent. When studying the effect of phosphorus-containing waste on hydrobiont organisms, the accumulative culture of various groups of water test organisms was used as test objects. The acute and chronic effects of 1.0; 5.0 and 10.0 vol. % for aqueous suspensions of phosphorus-containing slag and slime of slime and slag on planktonic and benthic organisms were studied. During the experiments, acute (from 0 to 3 hours) and chronic toxicity (12, 24 and 48 hours) were controlled. The experiments were performed in three-fold repetition with the calculation of the standard deviation at 0.95>P>0.80. The results of bioassay of samples of phosphorus-containing technogenic waste showed that 1.0 vol.% of the content of phosphorus-containing waste has a stimulating effect on all groups of test organisms, which is explained by the presence of such a biogenic element as phosphorus. However, a further increase in the content of phosphorus-containing waste in cultivated media to 10.0 vol.% this led to the death of most protozoa, while it was found that the slag has a more toxic effect than the sludge. Representatives of green and diatoms were the most resistant to the action of toxicants.

Ключевые слова: фосфорсодержащие отходы, шлак, шлам, биотестирование отходов, тест-организмы.

Keywords: phosphorus-containing waste, slag, sludge, waste bioassay, test organisms.

В число распространенных загрязнителей окружающей среды входят руды и продукты ее переработки, которые попадают в природную среду при добыче, транспорте, хранении и переработке руд. Отходы фосфорсодержащих шламов и шлаков характеризуются сложным многокомпонентным составом, ряд компонентов которого токсичны для живых организмов [1, с. 33; 2, с. 11]. Большинство из соединений растворяется в воде, что делает их более токсичными в отношении флоры и фауны и обеспечивает попадание в пищевую цепь человека [3, с. 5]. При оценке токсичности техногенных отходов биологическими методами обычно тестируют водную вытяжку и в качестве тест-организмов используют различные гидробионты: водоросли, ракообразные, хирономиды, моллюски и др.[ 4, с. 22; 5, с. 55]. Металлы и их соединения образуют значительную группу экотоксикантов, которые при попадании в организм вызывают многочисленные изменения в метаболизме. Как следствие этого высокий токсический фон их ионов оказывает селективное действие на видовой состав биоценозов. Однако, для адекватной оценки многокомпонентных плотных субстратов необходимо использовать субстратное или контактное биотестирование, которое обеспечивает непосредственный контакт тест-организма с исследуемым образцом и таким образом позволяет установить уровень воздействия твердых загрязнителей. На территории Южно-Казахстанской области складировано более 50,0 млн тонн фосфорсодержащих отходов, которые из-за процессов эрозий представляют серьезную угрозу для окружающей среды и здоровья населения. Целью данной работы было определение экотоксичности фосфорсодержащих отходов, расположенных на территории г.Шымкент, по реакции тест-организмов.

Материал и методы исследования. В качестве объекта исследования использовались отходы производства фосфорного удобрения: шлаки и шламы, расположенные в виде терриконных отвалов в черте г.Шымкент.

При изучении влияния фосфорсодержащих отходов на организмы-гидробионты в качестве  тест-объектов использовалась накопительная культура различных групп водных организмов, включающих монадные водоросли, протозойные организмы и беспозвоночных, культивируемая в стеклянных аквариумах на питательной среде, содержащей необходимо количество N:P:K в режиме непрерывной аэрации с помощью аэропомп.

Для биотестирования были использованы стеклянные конические колбы объемом 250 мл, куда вносилась исходная питательная среда в количестве 100 мл. В опытные колбы вносилось 1,0 об.%, 5,0 об.%; 10,0 об % суспензии фосфорсодерщих шлаков и шламов. В контрольном варианте фосфорсодержащие отходы не вносились. Аэрация осуществлялась с помощью встряхивателя Экрос-5. Эксперимент проводился при температуре 22 – 25 °С, 16-часовом световом дне и освещенности 4000 лк. При проведении экспериментов контролировали острую (от 0 до 3 часов) и хроническую токсичность (12, 24, 48, 96 часов).

Эксперименты проводили в трехкратной повторности, Рассчитывали величину стандартного отклонения при 0.95>Р>0.80. Статистическую обработку проводили с помощью пакета статистических программ Microsoft Excel на персональном компьютере «Pentium-IV».

Результаты и обсуждение. Исходная накопительная культура организмов-гидробионтов, используемая в качестве тест-модели представлена следующими организмами: Sуnedra ulna, Navicula gracilis, Amphora ovalis, Pinnularia sp., Meridion circulare, Scenedesmus guadricauda, Chlorococcum sp., Chlorella vulgarus, Oscillatoria limosa, Euglena viridis, Cladophora glomerata, Amoeba proteus, A. limax, Aspidisca sp., Euglypha acanthophora, Paramecium aurelia, P. caudatum, Stylonychia mytilus, Colpoda steinii, Rotatoria сallidina, Aeolosoma sp., Nematoda sp. Проведенные ранее исследования показали, что фосфорсодержащие отходы представлены псевдоволластонитом (a-CaOхSiO₂), куспидином (3CaOхCaF₂х2SiO₂), феррафосфором Fe₂P, мелилитом - Ca₂ (Al, MgSi) Si₂O₇, акерманитом-Ca₂MgSi₂O_7, ранкинитом 3CaOх2SiO₂ фторапатитом –Ca₅(PO₄)3F, витлокитом (NaF), флюоритом (СаF₂) и силикокарнотитом (5CaOхP₂O₅хSiO₂) [6, с. 118].

Основная идея исследований состояла в изучении реакции тест-организмов на попадание в среду обитания отходов, содержащих в себе важный биогенный элемент – фосфор. Возможно ли рациональное использование данных отходов как дополнительного источника биогенного питания ряда организмов? Какова возможная реакция тест-организмов на избыточное содержание фосфора в совокупном составе с другими элементами?  Для ответа на эти вопросы были проведены поисковые исследования с применением различных соотношений фосфорсодержащих отходов с питательной средой, на которой культивировались организмы-гидробионты.

При введении 1,0 об.% фосфорсодержащих шлаков и шламов, существенных изменений как в структуре гидробиоценоза, так и в поведении тест-организмов не обнаружено. В течение 96 часов количество водорослей Scenedesmus guadricauda, Chlorococcum sp., Chlorella vulgarus и Euglena viridis из исходных показателей «единично» изменяется до «обильно». В вариантах с введением 5,0 об. % шлака и шлама отмечены явления плазмолиза в ряде клеток Cladophora glomerata и у Euglena viridis, простейшие замедляют движения, но жизнедеятельность не прекращается. Визуальных отличий у тест-организмов в вариантах с введением шлака или шлама не отмечено. При дальнейшем увеличении содержания фосфорсодержащих отходов до10,0 об.%, установлено, что шлак является более токсичным, чем шлам. Введение шлака в таком количестве привело к гибели большинства простейших Lionotus sp., Euglypha acanthophora, Paramecium aurelia, P. caudatum, Stylonychia mytilus, Colpoda steinii, беспозвоночных Rotatoria calldina sp. и малощетинковых червей из рода Aeolosoma sp., Nematoda sp. Плазмолиз отмечается во всех клетках нитевидной зеленой водоросли Cladophora glomerata, монадных водорослей  Chlorococcum sp., Chlorella vulgarus и у ряда диатомовых водорослей Meridion circulare (рисунок 1),  Sуnedra ulna и Amphora ovalis.

а.-до опыта, б.-через 96 часов после введение отхода

Рисунок 1. Реакция диатомовой водоросли Meridion circulare на введение 10,0 об.% фосфорсодержащего шлака в водную среду

Несмотря на визуально определяемые явления плазмолиза, жизнеспособность через 96 часов эксперимента сохранили Navicula elegans, Scenedesmus guadricauda, Microspira spp. Протозойные организмы отмечены единичными особями Aspidisca sp.,большинство инфузорий или погибло или инцистировались (рисунок 2).

а.- через 24 часа после введения отхода, б. - через 96 часов

Рисунок 2. Реакция Amoeba limax на введение 10,0 об.% фосфорсодержащего шлака в водную среду

В растворах, содержащих 10,0 об.% фосфорсодержащего шлама обнаружены Scenedesmus guadricauda, Chlorella vulgarus, Navicula gracilis, Pinnularia viridis, Navicula placentula, Cymbella ventricosa.

Таким образом, установлено, что содержание в водной среде 1,0 об.% фосфорсодержащих отходов, независимо от их вида, оказывает стимулирующее действие на жизнедеятельность всего гидробиоценоза. Дальнейшее увеличение содержания отходов до 5,0 об.% приводит к угнетению развития ряда тест-организмов, в первую очередь, простейших и беспозвоночных. Фосфорсодержащие шлаки в количестве 10,0 об% в водной среде оказывают более токсичное действие, чем аналогичное содержание шламов, что, вероятно объясняется условиями хранения отходов, где, как известно, шламы складируются в водной/влажной среде, а шлаки –под открытым воздухом.

Список литературы:

1. Аржанова B.C. Значение и роль лихеноиндикационных исследований при эколого-геохимической оценке состояния окружающей среды //География и природные ресурсы. - 2000. - № 4. - С. 33-40.
2. Евсеева Т.И., Куприянова Е.Б., Фролова Н.П. Биоиндикация: от методов до методологии защиты окружающей среды //сб. науч. тр. Института биологии. - Алматы, 2001. - № 3.- С. 10-12.
3. Березина Н.А. Влияние ионного состава воды на пресноводный макрозообентос в природных и экспериментальных условиях: автореф. ... канд. биол. наук.: 00.11.02. - М.: Институт биологии внутренних вод РАН, 2000.- 15с.
4. Селивановская С.Ю., Латыпова В.З. Создание тест-системы для оценки токсичности многокомпонентных образований, размещаемых в природной среде //Экология. - 2004. - №1.- С. 21-24.
5. Дмитриева Н.Г., Эйнор Л.О. Роль макрофитов в превращении фосфора в воде //Водные ресурсы – 2004. - №5. - 123 с.
6. Issayeva A.U., Tleukeyeva A.E. Phosphorus-Containing Wastes of Southern Kazakhstan: Mineralogical and Microbiological Characteristics. Resources and Environment. p-ISSN: 2163-2618 e-ISSN: 2163-2634, 2016; 6(6): 117-121. doi:10.5923/j.re.20160606.03.