Влияние жесткости воды на токсичность тяжелых металлов на примере Daphnia magna

Effects of water hardness on the toxicity of heavy metals to Daphnia magna

 
Журавлева М.В.¹, Воробьева О.В.^1,2, Исакова Е.Ф.¹
 
Marina V. Zhuravleva¹, Olga V. Vorobieva^1,2, Evgenia F. Isakova¹

¹Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (Москва, Россия) 
²Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии – ВНИРО (Москва, Россия)​ 
 

¹Lomonosov Moscow State University (Moscow, Russia)
²Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography – VNIRO (Moscow, Russia)

УДК 574.52

В работе представлено сравнительное исследование токсичности хрома и молибдена, проведенное на жесткой аквариумной и мягкой природной водах. Полученные результаты показывают, что токсичность металлов может существенно различаться в водах с разным гидрохимическим составом. Представленные в работе данные могут быть использованы при разработке региональных нормативов ПДК. 

Ключевые слова: токсичность; жесткость; молибден; хром; ПДК; Daphnia magna

The paper presents a comparative study of the toxicity of chromium and molybdenum, carried out in hard aquarium and soft natural waters. The results obtained show that the toxicity of metals can differ significantly in waters with different hydrochemical compositions. The data presented in the work can be used in the development of regional MPC standards. 

Keywords: toxicity; hardness; molybdenum; chromium; MPC; Daphnia magna

Антропогенное загрязнение окружающей среды является актуальной проблемой современности. Одними из наиболее часто встречающихся загрязнителей являются соли тяжелых металлов, высокие концентрации которых приводят к ухудшению условий жизни гидробионтов, снижению качества вод питьевого и рыбохозяйственного назначения. Высоким распространением и токсичностью обладают соединения хрома, широко применяемые для создания нержавеющей стали и других сплавов, огнеупорных материалов, используемые в составе средств для защиты древесины, для дубления кожи и др. (Morrison, Murphy, 2010). Известно, что под действием хрома у гидробионтов, в частности, дафний, проявляются различные морфофизиологические аномалии, прослеживаемые в ряду поколений (Исакова, Коломенская, 2002). Молибден – металл, также обладающий высокой токсичностью, в природе встречается в составе минералов молибденита (MoS₂), вульфенита (PbMoO₄), повеллита (Ca(MoW)O₄), из которых и добывается (Lide, 2005). В водные объекты он попадает в основном за счет антропогенной деятельности, а его соединения используются для легирования сталей, изготовления ламп накаливания, полупроводников и в качестве катализаторов в химических реакциях (Shields, 2013). Он также используется в качестве альтернативы соединениям хрома, которые являются крайне токсичными для живых организмов. 

Для сохранения окружающей среды от неблагоприятного воздействия антропогенных факторов применяются системы экологического нормирования – разработка нормативов качества окружающей среды, а также норм допустимого воздействия на нее во время хозяйственной деятельности. Основными нормативами, определяющими допустимое содержание потенциально токсичных веществ в водных объектах, являются предельно-допустимые концентрации (ПДК). Экспериментальное обоснование ПДК веществ – система комплексных (токсикологических, гидрохимических, органолептических) испытаний с использованием представителей всех групп гидробионтов от бактерий до рыб, а также разных экологических форм (планктон, нектон, бентос). Все исследования проводят в стандартизованных лабораторных условиях, приближенных к оптимальным для каждого тест-организма. При этом существующая система разработки нормативов не учитывает различия в гидрохимическом составе воды природных водных объектов, в связи с чем прогностическая ценность нормативов, разработанных в стандартных лабораторных условиях, остается недостаточно высокой для экстраполяции в природных условиях. 

Из литературных источников известно, что токсичность элемента зависит не только от его концентрации в растворе, но и от гидрохимического состава исследуемой среды – жесткости, pH и др. (Stephenson, 1983; Wang, 1987). Таким образом, актуальным направлением исследований является изучение влияния различных факторов на изменение токсичности загрязняющих веществ. Целью работы было изучение влияния жесткости воды на изменение токсичности металлов – хрома и молибдена – для пресноводных ракообразных Daphnia magna – стандартного тест-объекта для проведения токсикологических исследований. Ракообразные были адаптированы к аквариумной и природной водам. Аквариумная вода была получена из московского водопровода, прошла ступенчатую систему фильтрации и имела жесткость 2,34°Ж. Природная вода была получена из водных объектов Кольского полуострова (р. Малая Белая и оз. Малый Вудъявр), имела жесткость 0,04°Ж и подвергалась очистке только от механических примесей. Культуры дафний содержали в климатостате с постоянной температурой и регулируемым освещением, в качестве корма использовали зеленые водоросли рода Chlorella, выращенные на среде Тамия при круглосуточном освещении и продувке атмосферного воздуха (Жмур, 2007).

В качестве токсиканта были использованы бихромат калия (K₂Cr₂O₇) и кристаллогидрат молибдата натрия (Na₂MoO₄·2H₂O). 

В экспериментах использовали молодь D. magna в возрасте до 24 ч. Для установки полулетальных концентраций (ЛК₅₀) были проведены острые опыты: для каждой концентрации токсиканта по 5 особей молоди высаживали в 50 мл воды в четырехкратной повторности, кормление дафний осуществляли каждые 48 часов, выживаемость проверяли каждые 24 часа на протяжении 96 часов. Значения ЛК₅₀ за 24–96 часов вычисляли с использованием пробит-анализа.

В хронических экспериментах по 5 особей молоди высаживали в 250 мл воды в четырехкратной повторности. Оценивали выживаемость дафний, количество рожденной молоди, возраст наступления половой зрелости, линейные размеры тела, измеренные на 6-7 сутки и в конце эксперимента. Контролем в каждом эксперименте служили особи из того же помета, что и опытные линии, которые находились в тех же условиях, но без добавления токсиканта. 

В хронических экспериментах для плодовитости и размеров тела рассчитывали среднее значение и доверительный интервал. Для оценки достоверности различий между опытными и контрольными выборками применяли тест Стьюдента в модификации для неравных дисперсий (тест Уэлча) и корректировали полученные р-значения с помощью поправки Бонферрони-Холма. Уровень значимости принимали равным 0,05. 

По результатам острых опытов были рассчитаны значения полулетальных концентраций за 24, 48, 72 и 96 часов (табл. 1). Хром и молибден проявляли большую токсичность в мягкой воде.

 Таблица 1. Значение полулетальных концентраций металлов для дафний в зависимости от типа вод

Для исследования хронической токсичности хрома были выбраны концентрации 0,01, 0,03 и 0,1 мгCr/л (табл. 2). Выживаемость дафний во всех выборках закономерно уменьшалась с увеличением концентрации токсиканта, при этом в мягкой воде токсичность проявлялась сильнее. Так, в концентрации 0,03 мгCr/л выживаемость в мягкой воде была на 40% ниже, чем в жесткой.

 Таблица 2. Изменение биологических показателей дафний под влиянием ионов хрома в водах разного химического состава

Данные представлены в виде M±m (среднее и доверительный интервал). Жирным выделены статистически значимые отклонения от контроля, * – статистически значимые отличия при сравнении контрольных линий, ** – в выборке 1 самка.

Плодовитость дафний в контроле была принята за 100% и составила 33,9±3,6 особи в жесткой воде и 42,9±3,0 в мягкой воде в пересчете на 1 самку. Достоверные отличия получены для концентрации 0,1 мгCr/л в мягкой воде, где плодовитость составила 11% от контроля. Было отмечено появление мертворожденной молоди и потомства с различными отклонениями: отсутствием щетинок на антеннах, деформациями хвостовой иглы и панциря. Максимальное количество аномальных особей и абортивных яиц появилось в мягкой природной воде в концентрациях 0,03 и 0,01 мгCr/л (0,5% и 0,6% особей от общего числа потомства).

Уже на 6–7 сутки наблюдалось достоверное уменьшение размеров тела дафний при концентрациях 0,03 и 0,1 мгCr/л в жесткой воде и при концентрации 0,1 мгCr/л – в мягкой. На 22 сутки было отмечено достоверное уменьшение размеров в мягкой воде в концентрациях 0,01 и 0,03 мгCr/л (97% и 96% от контроля); в жесткой воде достоверные отличия наблюдались только в концентрации 0,1 мгCr/л (77%). Таким образом, в хронических исследованиях в мягкой воде хром оказал большее токсическое воздействие на выживаемость и плодовитость рачков, тогда как в жесткой воде – на изменение размеров тела.

В хроническом эксперименте были исследованы три концентрации молибдена: 0,6, 6 и 60 мгMo/л (табл. 3). В жесткой воде исследованные концентрации не оказывали существенного влияния на выживаемость дафний. В мягкой воде наибольшая смертность (25%) отмечена в концентрации 0,6 мгMo/л. Плодовитость в опытных выборках была сопоставима с контрольными. К наступлению половой зрелости значимое увеличение размеров тела наблюдалось в мягкой воде при концентрациях 0,6 и 6 мгMo/л, но к концу эксперимента данные различия нивелировались. 

 Таблица 3. Изменение биологических показателей дафний под влиянием ионов молибдена в водах разного химического состава

Данные представлены в виде M ± m (среднее и доверительный интервал). Жирным выделены статистически значимые отклонения от контроля, * – статистически значимые отличия при сравнении контрольных линий.

Таким образом, токсичность хрома и молибдена зависит от жесткости воды – в мягкой воде металлы оказывают больший угнетающий эффект. Жесткость воды связана с содержанием в ней солей магния и кальция: карбонатов, гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов. Рассматривают два возможных механизма изменения токсического эффекта: образование ионами металлов комплексов с карбонатами и конкуренция ионов металлов с Ca и/или Mg (Wang, 1987). Стоит также отметить возможное совместное влияние жесткости воды и иных гидрохимических показателей на проявление токсичности веществ. В острых опытах с искусственной водой повышение жесткости с 0,06 до 1,84˚Ж приводило к увеличению токсичности алюминия в 1,57 раза для D. magna, в то время как аналогичные эксперименты на воде, взятой из природных источников, показали увеличение токсического действия почти в 6 раз при изменении жесткости в схожем диапазоне (Воробьева и др., 2020). 

Полученные результаты показывают, что токсичность тяжелых металлов может существенно различаться в водах с разным гидрохимическим составом. Для уточнения эффектов, связанных влиянием жесткости, необходимо проведение дальнейших исследований, в частности на искусственной воде. Представленные в работе данные могут быть использованы при разработке региональных нормативов ПДК.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.

Исследование выполнено в рамках Программы развития Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды» и темы государственного задания №121032300131-9.

Список литературы

1. Воробьева О.В., Исакова Е.Ф., Заец М.А., Мерзеликин А.Ю., Самойлова Т.А. Токсичность иона алюминия для Daphnia magna Straus в зависимости от жесткости природной и искусственной воды // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16. Биология. 2020 V. 75, № 4. С. 273–279.  
2. Жмур Н.С. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости. – Москва: АКВАРОС, 2007. Вып. 2. – 52 с.
3. Исакова Е.Ф., Коломенская Е.Е. Морфологические отклонения у Daphnia magna Straus в поколениях при кратковременном воздействии бихромата калия // Экологические системы и приборы. 2002.
4. Lide D.R. CRC Handbook of chemistry and physics. – Boca Raton (FL): CRC Press, 2005. – 2544 p.
5. Morrison R., Murphy B. Environmental forensics: contaminant specific guide. – Elsevier, 2010. – 580 p.
6. Shields J.A. Applications of molybdenum metal and its alloys. – London: IMOA, 2013. – 44 p.
7. Stephenson R.R. Effects of water hardness, water temperature, and size of the test organism on the susceptibility of the freshwater shrimp, Gammarus pulex (L.), to toxicants // Bull. Environ. Contam. Toxicol. 1983. V. 31, №4. P. 459–466.
8. Wang W. Factors affecting metal toxicity to (and accumulation by) aquatic organisms – Overview // Environ. Int. 1987. V. 13, №6. P. 437–457.

Доклад поступил в редакцию 3.11.2021

Об авторах

Журавлева Марина Валерьевна − Zhuravleva Marina V.

студент, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Москва, Россия (Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia), биологический факультет

mzhuravlevabio@gmail.com

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-3971-3126

Воробьева Ольга Владимировна − Vorobieva Olga V.

кандидат биологических наук
старший научный сотрудник, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Москва, Россия (Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia), биологический факультет, кафедра общей экологии и гидробиологии; специалист, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ВНИРО), Москва, Россия (Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography, Moscow, Russia)

olvorobieva@rambler.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0003-4265-892X

Исакова Евгения Филипповна − Isakova Evgenia F.

кандидат биологических наук
старший научный сотрудник, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, Москва, Россия (Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia), кафедра общей экологии и гидробиологии 

evgenia_isakova@mail.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0001-6120-8129

Корреспондентский адрес: Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, Биологический факультет МГУ. Телефон (495)-939-11-48.

ССЫЛКА:

Журавлева М.В., Воробьева О.В., Исакова Е.Ф. Влияние жесткости воды на токсичность тяжелых металлов на примере Daphnia magna // Материалы Международной дистанционной научно-практической конференции «Водные экосистемы в современном мире»

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Effects of water hardness on the toxicity of heavy metals

to Daphnia magna

Marina V. Zhuravleva¹, Olga V. Vorobieva^1,2, Evgenia F. Isakova¹

¹Lomonosov Moscow State University, Faculty of Biology (Moscow, Russia)
²Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography – VNIRO (Moscow, Russia)

The paper presents a comparative study of the toxicity of chromium and molybdenum, carried out in hard aquarium and soft natural waters. The results obtained show that the toxicity of metals can differ significantly in waters with different hydrochemical compositions. The data presented in the work can be used in the development of regional MPC standards.

Key words: toxicity; hardness; molybdenum; chromium; MPC; Daphnia magna

References

1. Isakova E.F., Kolomenskaya E.E. Morfologicheskie otkloneniya u Daphnia magna Straus v pokoleniyah pri kratkovremennom vozdejstvii bihromata kaliya [Morphological deviations in Daphnia magna Straus in generations under short-term exposure to potassium dichromate]. Ekologicheskie sistemy i pribory. 2002. №7. P. 31–34.  
2. Lide D.R. CRC Handbook of chemistry and physics. Boca Raton (FL), CRC Press, 2005. 2544 p.
3. Morrison R., Murphy B. Environmental forensics: contaminant specific guide. Elsevier, 2010. 580 p.
4. Shields J.A. Applications of molybdenum metal and its alloys. IMOA, London, 2013. 44 p.
5. Stephenson R.R. Effects of water hardness, water temperature, and size of the test organism on the susceptibility of the freshwater shrimp, Gammarus pulex (L.), to toxicants. Bull. Environ. Contam. Toxicol. 1983. V. 31, No 4. P. 459–466.
6. Vorobieva O.V., Isakova E.F., Zae ,M.A., Merzelikin A.Y., Samoilova T.A. Toxicity of aluminum ions to Daphnia magna Straus depending on the hardness of natural and artificial water. Moscow University biological sciences bulletin. 2020 V. 75, №4. P. 231–236. DOI: https://doi.org/10.3103/S0096392520040124
7. Wang W. Factors affecting metal toxicity to (and accumulation by) aquatic organisms – Overview. Environ. Int. 1987. V. 13, No 6. P. 437–457.
8. Zhmur N.S. Metodika opredeleniya toksichnosti vody i vodnyh vytyazhek iz pochv, osadkov stochnyh vod, othodov po smertnosti i izmeneniyu plodovitosti [Methods for determining the toxicity of water and water extracts from soils, sewage sludge, death outcomes and changes in fertility]. AKVAROS, Moscow, 2007. 52 p.

Authors

Zhuravleva Marina V.

Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

mzhuravlevabio@gmail.com

ORCID - https://orcid.org/0000-0002-3971-3126

Vorobieva Olga V.

Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia; Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography, Moscow, Russia

olvorobieva@rambler.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0003-4265-892X

Isakova Evgenia F.

Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

evgenia_isakova@mail.ru

ORCID - https://orcid.org/0000-0001-6120-8129

ARTICLE LINK:

Zhuravleva M.V., Vorobieva O.V., Isakova E.F. Effects of water hardness on the toxicity of heavy metals to Daphnia magna // Materials of the International Distance Scientific and Practical Conference “Aquatic Ecosystems in the Modern World”

When reprinting a link to the site is required

Адрес - info@hydrosphere-ecology.ru

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

На ГЛАВНУЮ

К разделу ПУБЛИКАЦИИ