6. ДИАГНОСТИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

Определение фосфорорганических пестицидов в растительном материале и почве.  Разработаны простые и удобные методики экспресс-контроля остаточных количеств фосфорорганических пестицидов, включающие экстракцию ацетоном с последующим ферментативным определением ингибитора без удаления органического растворителя. Предварительно было показано, что  компоненты матрицы не оказывают существенного влияния на чувствительность фермента к ингибитору. Присутствие солей калия повышает воспроизводимость определения сигнала при некотором снижении его величины, а природные высокомолекулярные соединения (водорастворимые белки и полисахариды) несколько уменьшают чувствительность определения пестицидов и срок службы ферментсодержащей мембраны. Аналитические характеристики определения пестицидов с помощью стабилизированных растворов БуХЭ приведены в табл.16.

Некоторое снижение наклона градуировочного графика для культур с низким содержанием масла объясняется связыванием пестицида в комплексы с полисахаридами и обусловленным этим снижением степени экстракции из растительного материала.

При использовании иммобилизованной БуХЭ на отклик биосенсора оказывают влияние природные ингибиторы фермента, соэкстрагирующиеся из сочных зеленых кормов и комбикорма на основе пшеницы при увеличении продолжительности экстракции до 20-30 мин. Исключить их влияние можно путем регулирования продолжительности экстракции и инкубирования и подбора аликвоты внесения экстракта в рабочий раствор (табл.17).

Для почв при использовании упрощенной процедуры экстракции степень извлечения пестицида не превышает 60%, а ингибирующее действие пестицидов на нативную БуХЭ выражено значительно слабее, нежели для модельных водных растворов. При использовании биосенсоров почвенные экстракты вызывают необратимое подавление отклика биосенсора даже в отсутствие пестицидов. Повидимому, это связано с сорбцией высокомолекулярных компонентов и ограничением доступа субстрата в мембрану.

Оценка загрязненности осадков сточных вод тяжелыми металлами. Сравнительная характеристика ингибирующей способности водных, ацетоновых и кислотных экстрактов из осадков сточных вод в отношении нативной и иммобилизованной БуХЭ может быть использована для оценки опасного загрязнения осадков подвижными формами тяжелых и токсичных металлов. В отличие от модельных растворов солей металлов экстракты оказывают слабое активирующее действие на нативную БуХЭ. По-видимому, оно связано с обменными процессами с участием соэкстрагируемых органических компонентов осадков. В результате снижается буферная емкость раствора и высвобождаются природные активаторы фермента. При увеличении срока хранения осадка сточных вод или его сбраживании содержание органического вещества уменьшается. В результате несмотря на то, что подвижность тяжелых металлов снижается, экстракты начинают оказывать слабое  ингибирующее действие  на  нативную БуХЭ. Оно усиливается также в результате электрохимического окисления экстракта. Напротив, отклик холинэстеразного биосенсора в присутствии всех видов экстрактов обратимо снижается, по-видимому, в результате неспецифической сорбции органических компонентов на мембране. Сопоставление показателей ингибирования/активации нативной и иммобилизованной БуХЭ позволяет оценить относительное загрязнение осадков сточных вод подвижными формами тяжелых металлов.

Обобщенная оценка загрязнения водной среды.  Широкий  круг  ингибиторов БуХЭ и многообразие факторов, влияющих на отклик холинэстеразных биосенсоров, позволяют использовать снижение отклика биосенсора в качестве показателя, характеризующего общую загрязненность объектов окружающей среды. Аналогичный подход принят в методах биотестирования, поэтому была проведена сравнительная характеристика биосенсоров и принятых методов биотестирования в отношении модельных растворов токсикантов (острая токсичность для инфузорий Paramecium caudatum, тушение замедленной флюоресценции хлорофилла Chlorella vulgaris Beyer и биолюминесценции Photobacterium phosphoreum, уровень трофической активности Daphnia magna Straus). Как показали исследования, холинэстеразный биосенсор существенно превосходит принятые методы биотестирования по продолжительности и удобству измерения и минимально определяемым содержаниям специфических ингибиторов. Даже по сравнению с наиболее чувствительным тестом "Эколюм", основанным на измерении гашения люминесценции светящихся микроорганизмов, холинэстеразный биосенсор показывает близкие аналитические характеристики определения пестицидов и некоторых токсичных металлов. В то же время, тесты с использованием зеленых микроводорослей и инфузорий позволяют детектировать более широкий круг токсикантов, включающий жиры и растворимые фракции нефти. Поэтому при контроле природных и сточных вод целесообразно комбинировать различные методы биотестирования и оценку антихолинэстеразной активности.

Изученные методы были использованы в исследовании загрязненности (токсичности) природных вод Волго-Ахтубинской поймы. Тестирование проводили непосредственно в день отбора пробы тремя методами: по уровню замедленной флуоресценции микроводорослей (экспозиция 24 часа), по трофической активности дафний (экспозиция 1 час) и с помощью холинэстеразного биосенсора. Большинство проб показало ингибирование менее 10% при использовании иммобилизованной БуХЭ и некоторую активацию замедленной флуоресценции хлорофилла микроводорослей. В результате исследований обоснованы экологически безопасные уровни разбавления сточных вод емкости сезонного регулирования Астраханского газоперерабатывающего завода, а также технологических вод процесса алкилирования солей нитрозогидроксиламина.

Экспертная система оценки загрязненности промышленных сточных вод. На основании исследования антихолинэстеразной активности сточных вод г.Казани и приказанского региона (1996-1998) предложена экспертная система, позволяющая на основе обобщенных гидрохимических и токсикологических показателей определять преобладающий характер загрязнения. На основе предварительного анализа показателей ингибирования БуХЭ и смертности инфузорий в часовой экспозиции были выделены три группы сточных вод: воды, загрязненные преимущественно тяжелыми и токсичными металлами (машиностроительный комплекс, кожевенное производство); сточные воды с преобладающим содержанием резистентных органических веществ техногенного происхождения (предприятия химической промышленности), и сточные воды, загрязненные легкоразлагающимися органическими соединениями (агропромышленные предприятия, ливневой сток в сельской местности и др.). Отнесение предприятий, осуществлявших сброс сточных вод, к той или иной группе проводилось, исходя из особенностей технологических процессов, по данным экологических паспортов, а также по результатам опроса экспертов - специалистов ЦСИАК Минприроды РТ (г.Казань). Всего выборка содержала 175 проб сточных вод (элементов). Каждый элемент выборки (образец сточных вод) характеризовался номером класса как зависимой переменной и пятью независимыми переменными - значениями ХПК, БПК, смертности парамеций, степени ингибирования БуХЭ, иммобилизованной на бумаге,  до и после электрохимической обработки пробы. Предварительный статистический анализ показал отсутствие устойчивых корреляционных связей между значениями отдельных показателей, характеризующих пробы.

Для разработки экспертной системы, позволяющей определить принадлежность элемента выборки к той или иной группе сточных вод, были использованы дискриминантный анализ и методы, основанные на построении искусственных нейронных сетей.

В табл.18 приведены результаты классификации сточных вод методом дискриминантного анализа. Как видно, выделяются первая и вторая группы сточных вод, причем успешность прогноза составляет в среднем 46%, т.е. незначительно отличается от частоты встречаемости группы в общей выборке.

Использование нейронной сети прямого распространения, состоящей из пяти входных нейронов, двух невидимых слоев по 9 и 5 нейронов соответственно и трех нейронов в выходном слое, позволило достичь средней успешности прогноза 76% (табл.19). При этом обучение сети проводили на полной выборке исходных данных.

Оценку прогностических свойств экспертной системы проводили, разделяя исходную выборку на обучающую (150 элементов) и контрольную (25 элементов). Выборки не пересекались, т.е. элементы обучающей выборки не встречались в контрольной и наоборот.

Помимо дискриминантного анализа и нейронной сети прямого распространения был использован также более эффективный вариант нейронной сети, основанный на теории адаптивного резонанса Fuzzy ART MAP. Он позволяет выделять кластеры признаков, объединяющие элементы, принадлежащие к одной группе, и тем самым в явном виде формулировать правила отнесения элементов к той или иной группе. Общая процедура классификации была ограничена максимум 50 циклами обучения.

Обучение на различных обучающих выборках, отличающихся набором элементов и последовательностью их подачи на нейронную сеть, показало, что результаты обучения зависят от параметров обучения и характера распределения элементов между обучающей и контрольной выборками. Значительное число выделяемых кластеров свидетельствует о значительной разнородности исходных данных.

Метод Fuzzy ART Map позволяет в лучших классификаторах получить правильные прогнозы в 76% случаев. Для тех же контрольных выборок другие исследованные методы классификации показали меньшую вероятность успешного прогноза (табл.20).

Критерии классификации проб сточных вод могут быть легко адаптированы с учетом специфического состава сточных вод того или иного производства или предприятия. В число независимых показателей могут также быть включены дополнительные показатели, отражающие, например, содержание наиболее опасных загрязнителей или определенные виды биологической активности (мутагенность, канцерогенность и т.д.). 

 

Выявленные закономерности функционирования электрохимических биосенсоров на основе холинэстераз, предназначенных для определения ингибиторов - загрязнителей окружающей среды, значительно расширяют потенциальную сферу применения биосенсоров в эколого-аналитическом контроле. Возможность целенаправленного регулирования чувствительности и селективности биосенсоров путем подбора носителя, оптимизации состава реакционной среды и процедуры измерения позволяют адаптировать биосенсор к конкретной аналитической задаче и повысить селективность определения отдельных групп токсикантов (пестициды, обратимые ингибиторы и т.д.). Простота использования сменных накладных мембран, комплекс разработанных упрощенных методик пробоподготовки облегчают использование  биосенсоров в полевых условиях, непосредственно по месту пробоотбора. Наконец, использование биосенсора для обобщенной оценки загрязненности (токсичности) сточных вод позволит значительно расширить сферу экологического контроля промышленных стоков, в том числе на предприятиях биологической очистки сточных вод при входном контроле их токсичности.

 

| Влияние эффекторов | В начало | Выводы |