Видовой состав, динамика численности и токсичность цианобактерий шершневского водохранилища (стр. 4 )

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 01.01.2001).

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

1. , , (Гаврилова), , , Чернов токсических свойств цианобактерий Шершневского водохранилища Челябинской области // Гигиена и санитария. 2008. № 1. С. 73-75.

2. , (Гаврилова), , Пряхин 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

3. (Гаврилова) Оценка влияния различных факторов на токсичность цианобактерий Шершневского водохранилища // Вестник Челябинского государственного университета. Биология. Вып. 1. №4 (10– С. 134-137.

4. , , (Гаврилова) , , Бурмистрова токсического и раздражающего действия цианобактерий Шершневского водохранилища // Безопасность биосферы: Сборник тезисов докладов/ Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2005. С. 63.

5. , , (Гаврилова), , Тряпицына 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.

6. , , (Гаврилова), Пряхин 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.

7. Пряхин. Е. А., , (Гаврилова), , Бурмистрова свойства цианобактерий Шершневского водохранилища // Экологические проблемы Челябинской области: тез. региональной конф., 13 октября 2004г., г. Челябинск. – Челябинск, 2004. – С. 15-16.

8. (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.

9. , , (Гаврилова), , Бурмистрова токсического и раздражающего действия цианобактерий Шершневского водохранилища // Безопасность биосферы: Сборник тезисов докладов. Екатеринбург, 2005. С. 63.

10. , , (Гаврилова), , Ячменев 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.

11. , , (Гаврилова), , К вопросу о качестве воды поверхностных источников питьевого водоснабжения // Экологический ежегодник. 2008. № 2. С.36-37.

12. (Гаврилова), , Пряхин 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.

13. , , (Гаврилова), , Ячменев 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.

14. , (Гаврилова), , , . Пряхин 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.

15. (Гаврилова), , Пряхин влияния различных факторов на токсичность цианобактерий Шершневского водохранилища (г. Челябинск) //Вестник Российской военно-медицинской академии. 2008. Приложение 2 (часть 1). С. 446.

16. , , Пряхин 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.

17. , , , , Попова видового состава и количественного развития фитопланктона водоема В-11 Теченского каскада водоемов // Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин: Сборник научных трудов. Выпуск 12. (под ред. , ) Екатеринбург: Изд-во Урал. Ун-та, 2009. С. 257 – 270.

18. , , , , , Современное состояние экосистемы водоема В-11 Теченского каскада водоемов // Вопросы радиационной безопасности. 2009. Специальный выпуск. С. 30-49.