XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Раки - индикаторы качества воды
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Вода – одно из самых важных для организма человека веществ. Человеческий организм содержат более 65% воды. Чистой воды на Земле становится все меньше. Но это не потому, что запасы воды истощаются. Над водой нависла угроза загрязнения сточными водами предприятий, мусором, отходами жизнедеятельности человека
Химические методы анализа воды могут определять загрязняющие вещества в воде, но на это надо время, а информации о загрязнении должна поступить как можно быстрее, Оказывается для этого существуют живые существа – раки, которые являются биоиндикаторами [1]. Они могут быстро сообщить об опасности. Почему они так чувствительны к загрязнениям:
1- раки очень чувствительны к насыщению кислородом воды. Если уровень кислорода под действием загрязнителей падает, раки гибнут;
2- раки заболевают при попадании тяжелых металлов в организм и быстро гибнут;
3- раки обитают в одном месте длительное время, что позволяет следить за состоянием водной системы, т.е. проводить мониторинг.
В разных регионах мира существуют различные виды раков, которые используются как биоиндикаторы.
Цель работы: выяснить какие типы раков используются для контроля качества воды в Санкт-Петербурге и как оценивается состояние здоровья раков при попадании загрязнителей в воду.
Практическая часть: Одной из проблем в зимнее время является обработка дорог и тротуаров солевой смесью в качестве антигололедного средства. Однако интенсивное применение соли может привести к поступлению снега с солью в водоемы-приемники и, следовательно, необходимо было экспериментально показать, что пресноводные раки начинают реагировать на загрязнение.
1.Теоретическая часть
ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» первым в России стал использовать животных для мониторинга воды с декабря 2005г. В настоящее время применяется два типа раков – узкопаловые раки, обитающие в Неве и Невской губе и австралийские красноклешневые.
1.1 Характеристика речных узкопаловых раков
Рак речной узкопалый, научное название которого Astacus leptodactylus, относится к семейству речных раков, или Astacidae [2]. Этот вид изначально обитал в регионах Черного и Каспийского морей. Однако за последние два века он был неоднократно завезен в водоемы Центральной Европы, где успешно распространился, конкурируя с широкопалым раком
Рис.1- Рак речной узкопалый
Узкопалые раки населяют пресные и солоноватые воды, обитая на глубинах до 30 метров, но в основном их можно встретить на глубинах от 2 до 15 метров.
Эти раки предпочитают участки дна с песчаными, глиняными или песчано-илистыми грунтами. Они способны выживать при температурах от 1 до 28 градусов Цельсия, но оптимальный рост и развитие наблюдаются при температуре воды от 18 до 23 градусов Цельсия, содержании растворенного кислорода в воде от 5 до 10 мг/л и pH от 7,8 до 8,5. Если концентрация кислорода в воде опускается ниже 4 мг/л, это может негативно сказаться на жизнедеятельности раков.
Карапакс у речных узкопалых раков имеет широкую, грушевидную или яйцевидную форму. Боковые стороны карапакса покрыты шипиками, а позади цервикальной бороздки находится один крупный зубец и несколько мелких. Эпистома имеет вершину ромбовидной формы и не имеет заметных шипиков на краях. Мероподит третьей пары ногочелюстей имеет один острый зубец. Узкопалые раки являются всеядными животными и питаются как растительной, так и животной пищей.
1.2 Характеристика австралийских красноклешневых раков
Основной цвет австралийского рака насыщенный синий, а по всему панцирю рассыпаны желтоватые «веснушки». Окрас соединений между сегментами может быть не только голубым, но и красным, оранжевым, розовым. Однако насыщенность оттенков будет зависеть от жесткости воды, в которой обитает австралийский рак. Для получения яркого цвета его лучше держать в жесткой воде. Если она по составу мягкая, рак приобретет коричневый окрас, хотя синий отлив останется заметным.
Рис.2-австралийский красноклешневый рак
В природе они могут вырастать до 20 см, и их вес порой достигает 500 г. Но в домашних условиях раки немного не дотягивают до такого размера. Самки вырастают еще меньше. Кроме того, у самцов с наружной стороны клешни вырастает плоский «коготь», зачастую красный, но может быть и светлей. Несмотря на свой крупный размер, одним из самых миролюбивых считается именно красноклешневый австралийский рак. Этих обитателей можно отнести к ночным животным, а день они проводят в полудреме. В светлое время они могут появляться для того, чтобы перекусить или если собрались линять (для этого им нужно свободное пространство). Но если рак выполз не для этих целей, возможно, это сигнал, что в вашем водоеме что-то не так. Австралийские раки - это творческие существа, которые могут расставлять аквариумные декорации по-своему. Также свои клешни они применяют для того, чтобы порыться в иле и сделать новую ямку, которая станет их убежищем [3]
1.3 Биоконтроль состояния воды на предприятиях водоканала Санкт-Петербурга
Водоканалом Санкт-Петербурга внедрена система биоэлектронного контроля, которая позволила отслеживать потенциальные риски случайных залповых выбросов и сбросов токсикантов (в случае возникновения аварийной ситуации), а также совокупное воздействие содержания всех (даже ничтожных) загрязнений, при которых воздействия от отдельных факторов могут взаимно усиливаться.
Такими интегральными показателями загрязненности являются реакции тест-организмов в системах биомониторинга, основной задачей которых является контроль и раннее оповещение об опасном уровне загрязнения окружающей среды, так как:
— каждый год появляются новые соединения, в том числе – потенциально опасные;
— проведение лабораторных исследований требует времени, а информация об опасности нужна мгновенно;
— методики выполнения измерений не учитывают суммарный эффект различных загрязнений в малых дозах.
На сегодняшний момент в водоканале созданы и действует три уникальных системы биомониторинга [4]
Первая система биомониторинга действует на водозаборах, с использованием речныхузкопалых раков (с декабря 2005 года).
Представители аборигенных раков, обитающих в Неве и Невской губе, живут в аквариумах на каждом водозаборе Петербургского водоканала. И вода из Невы, прежде чем попасть на очистные сооружения и стать водопроводной, контролируется, помимо лабораторий, и этими биоиндикаторами. Эта система в качестве индикатора возможного токсического загрязнения речной воды использует анализ кардиоритма речных раков: в случае, если в воде появятся токсичные вещества, раки мгновенно отреагируют – у них резко возрастет частота сердцебиения. К панцирю рака, приклеен волоконно-оптический датчик, позволяющий незаметно для животного в течение длительного времени регистрировать его сердцебиение.
Рис.3 – Установка датчика на панцирь узкопалого рака
На экран компьютера диспетчера смены непрерывно выводятся уже обработанные результаты показателей сердечного ритма и стресс-индекса раков в виде системы «светофор»: красный, желтый или зеленый световые сигналы. Нормальный сердечный ритм ничем не обеспокоенного рака (соответствующий зеленому сигналу) колеблется, в зависимости от температуры воды, от 30 до 60 ударов в минуту, а стресс-индекс обычно близок к нулю. В случае опасности частота сердечных сокращений резко повышается не менее чем на 50%, а стресс-индекс возрастает до нескольких тысяч.
Рис.4-Установка для регистрации кардиоактивности раков
При попадании в воду токсичных веществ раки реагируют в течение 1,5-2 минут (время с учетом обработки данных). За все время работы раков в водоканале нештатных ситуаций не возникало, а столь «высокие стрессовые показатели» специалисты Санкт-Петербургского научно-исследовательского центра экологической безопасности Российской академии наук, разработавшие этот метод биомониторинга качества воды, получают только при еженедельных профилактических тест-обследованиях раков [5]
Вторая система биомониторинга предназначена для проверки качества очистки сточных вод (работает с 2010 года на Юго-Западных очистных сооружениях).
Принцип работы такой же, как и при контроле Невской воды. Но есть одна особенность – на ЮЗОС раки работают сезонно по шесть особей: в теплое время года – австралийские красноклешневые, в холодное – аборигенные узкопалые. «Сезонность» работы этих раков связана с тем, что летом температура сточной воды значительно повышается, и становится некомфортной для невских раков; а теплолюбивые австралийские раки, напротив, не приспособлены для того, чтобы работать в зимний период.
В летний период температура сточной воды повышается на 15-20 оС. Для узкопалых раков, «трудящихся» зимой, температура воды не должна превышать 22-23о С. Австралийские же раки чувствуют себя комфортно при температуре воды до 35о С. Наблюдение за раками, находящимися в привычных условиях, позволяет исключить ложное срабатывание системы, вызванное тем, что животное испытывает дискомфорт из-за температуры воды.
Исследованиями, предшествовавшими внедрению этой системы, было показано, что для использования в качестве биоиндикаторов должны отбираться только здоровые животные, характеризующиеся определенным эмоционально устойчивым состоянием. Отобранные таким образом животные, при правильном режиме кормления и обслуживания аквариумов, в течение года сохраняют нормальный уровень функционального состояния, пригодный для использования их в качестве биосенсоров. Поэтому при отборе раков для использования в качестве биосенсоров отбираются здоровые половозрелые самцы определенного размера и без видимых повреждений панциря и конечностей. Перед тестированием животные проходят период адаптации к условиям нахождения в данном аквариуме до восстановления нормальной частоты сердечных сокращений (ЧСС) (50-70 уд/мин при комнатной температуре воды), характерной для устойчивого спокойного состояния. Обычно для этого требуется от 0,5ч до 1ч. Состояние воды контролируют шесть раков. Именно такое количество необходимо для получения объективных данных. За истекший период эксплуатации этой системы критичного учащения ЧСС у раков не выявлялось.
У раков есть помощники — для получения более точной реакции на изменения качества воды наряду с раками работают рыбки. Видеокамера постоянно фиксирует их движение. Если рыбкам станет плохо, они перестанут двигаться и всплывут вверх брюшком или опустятся на дно. А если в это время забеспокоятся и раки, то специалисты начнут действовать. Такое дублирование позволяет более точно отслеживать качество очистки сточных вод.
Третья система биомониторинга предназначена для контроля очистки дымовых газов на заводах по сжиганию осадка сточных вод (с 2011 года, на заводе по сжиганию осадка сточных вод (ЗСО) Юго-Западных очистных сооружений).
Применяемый в Водоканале метод биомониторинга состава очищенных дымовых газов ЗСО основывается на чувствительности живых организмов (улиток) к изменениям качественного состава выбросов.
В основе внедренной на ЗСО станции биологического мониторинга заложена длительная регистрация в реальном времени функционального состояния биоиндикаторов: легочных моллюсков — улиток. Такой выбор учеными моллюсков обусловлен: наличием у них легочного дыхания, чувствительности к запахам и возможностью крепления на их раковинах волоконно-оптических датчиков временных характеристик кардиоактивности, прежде всего частоты сердечных сокращений (ЧСС), и наличия двигательной активности, проявляющейся в вертикальном перемещении моллюска.
На заводе по сжиганию осадка сточных вод на Юго-Западных очистных сооружений Петербурга работают африканские улитки. Этот метод также разработан в 2010 году Санкт-Петербургским научно-исследовательским центром экологической безопасности Российской Академии наук по заказу ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга».
2. Практическая часть
Узкопалые раки были посажены в аквариум объемом 50 л с водопроводной водой. Предварительно к панцирю раков прикреплен датчик
Рис.5- Крепление датчика к панцирю рака
, который регистрирует их сердцебиение затем показатели сердечного ритма рака и показания стресс-индикатора выводятся на экран компьютера. В течение двух часов происходила адаптация рака к условиям среды, восстанавливался ритм сердца от 30 до 60 ударов в минуту.
Посмотрим как реагируют раки на загрязнение воды. Сейчас зима. Гололед. Дороги и тротуары обрабатывают солевой смесью. Однако интенсивное применение соли может привести к поступлению снега с солью в водоемы. Добавим в аквариум 100 мл раствора соли хлорида натрия разной концентрации.
Рис.6- Добавление в аквариум с раком раствора соли хлорида натрия.
В таблице 1 представлены результаты изменения числа ударов сердца рака в зависимости от концентрации соли, добавляемой в аквариум.
Таблица 1 – зависимость числа ударов сердца рака от концентрации хлорида натрия
|
Концентрация NaCl, % |
Число ударов сердца в минуту. |
|
1 |
50 |
|
10 |
60 |
|
20 |
98 |
Из таблицы видим как учащается сердцебиение раков при приливании в аквариум 100 мл 20% раствора хлорида натрия Через минуты частота сердца достигла 98-100 ударов в минуту. Загорается красный сигнал. Рак отреагировал на загрязнение. Такой сигнал позволяет быстро приступить к анализу воды и принять меры по ее очистке.
Выводы
Вода является важнейшим природным ресурсом для человека и средой обитания большого количества видов живых организмов. Некоторые из этих организмов очень чувствительны к загрязнению водных систем и их называют биоиндикаторами. Одними из таких биоиндикаторов являются раки. На трех станциях Санкт-Петербургского водопровода используют два виды раков: речные узкопалые и австралийские красноклешневые раки. Индикатором загрязнения воды является учащение сердцебиения раков.
Экспериментально доказано, что при введении в аквариум с раком 100 мл 20% раствора хлорида натрия частота ударов сердца рака возрастает до 100 ударов в минуту, что говорит о загрязнении воды раствором хлорида натрия.
Литература:
1.. Опекунова М.Г.Биоиндикация загрязнений. С-Пб: Изд-во С-ПБ университета, 2016, 300 С
2. Заренков Н.А.Зоология беспозвоночных: Членистоногие.Ракообразные. М;изж. Стереотип, 2022, 304С.
3-https://belmathematics.by/stati/7258-krasnokleshnevyj-avstralijskij-rak-opisanie-vyrashchivanie-soderzhanie-i-razmnozhenie-poleznaya-informatsiya-dlya-vsekh-sovety-i-rekomendatsii-ot-belmathematics-by
4 https://ecopeterburg.ru/2017/02/28/применение-методов-биомониторинга-н/?ysclid=m87u5ozdgc727818539
5. Сладкова С.В., Холодкевич С.В., Сафронова Д.В., Борисов Р.Р. Кардиоактивность раков Cherax guadricarinatus (von Marteus 1868) в различных физиологических состояниях // Принципы экологии, 2017, №3, c.40-53.