Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Фиолетовые морской еж , испытываемое загрязнение с использованием методы целой токсичностей стоков.

Водная токсикология - это изучение воздействия промышленных химикатов и других антропогенных и природных материалов и деятельности на водные организмы на различных уровнях организации, от субклеточных и индивидуальных организмов до сообществ и экосистем . [1] Водная токсикология - это междисциплинарная область, которая объединяет токсикологию , водную экологию и водную химию . [1]

Эта область исследования включает пресноводную , морскую воду и донные отложения . Общие тесты включают стандартизованные тесты на острую и хроническую токсичность, продолжительностью от 24–96 часов (острый тест) до 7 дней и более (хронические тесты). Эти тесты измеряют конечные точки, такие как выживаемость, рост, размножение, которые измеряются при каждой концентрации в градиенте вместе с контрольным тестом. [2] Обычно используются отобранные организмы с экологически значимой чувствительностью к токсическим веществам и хорошо изученными литературными данными. Эти организмы можно легко приобрести или культивировать в лаборатории, и с ними легко обращаться. [3]

История [ править ]

В то время как фундаментальные исследования в области токсикологии начались во многих странах в 1800-х годах, только примерно в 1930-х годах стали применяться тесты на острую токсичность, особенно на рыбе. В течение следующих двух десятилетий влияние химикатов и отходов на нечеловеческие виды превратилось в общественную проблему, и эра биоанализов в маринаде началась по мере роста усилий по стандартизации методов тестирования токсичности. [1]

В Соединенных Штатах принятие Федерального закона о контроле за загрязнением воды 1947 года ознаменовало собой первое всеобъемлющее законодательство по контролю за загрязнением воды, а за ним последовал Федеральный закон о контроле за загрязнением воды в 1956 году. [4] В 1962 году интересы общества и правительства были возобновлены, в значительной степени из-за публикации « Тихого источника» Рэйчел Карсон , а три года спустя был принят Закон о качестве воды 1965 года , который предписывал штатам разработать стандарты качества воды. [1] Осведомленность общественности, а также научная и правительственная озабоченность продолжали расти на протяжении 1970-х годов, и к концу десятилетия исследования расширились, включив в себя оценку опасности ианализ рисков . [1] В последующие десятилетия водная токсикология продолжала расширяться и интернационализироваться, так что теперь испытания на токсичность широко применяются для защиты окружающей среды .

Тесты на водную токсичность [ править ]

Водные токсикологические тесты ( анализы ): тесты на токсичность используются для получения качественных и количественных данных о неблагоприятном (пагубном) воздействии токсиканта на водные организмы . Испытания на токсичность могут использоваться для оценки возможности нанесения ущерба водной среде и создания базы данных, которая может использоваться для оценки риска, связанного с ситуацией для конкретного токсиканта. Тесты на водную токсикологию можно проводить в полевых условиях или в лаборатории. Полевые эксперименты обычно относятся к воздействию нескольких видов, а лабораторные эксперименты обычно относятся к воздействию одного вида. Зависимость доза-реакция наиболее часто используется с сигмовидной кривойдля количественной оценки токсических эффектов в выбранной конечной точке или критериях воздействия (например, смерть или другое неблагоприятное воздействие на организм). На оси абсцисс отложена концентрация, а на оси ординат - процент ингибирования или реакции. [1]

Критерии воздействия или проверяемые конечные точки могут включать летальные и сублетальные эффекты (см. Токсикологические эффекты ). [1]

Существуют разные типы тестов на токсичность, которые можно проводить с разными подопытными видами. Различные виды различаются по своей восприимчивости к воздействию химических веществам, скорее всего , из - за различия в доступности, скорость обмена веществ , скорость экскреции , генетические факторы , факторы питания, возраст, пол, уровень здоровья и стресса организма. Обычные стандартные виды испытаний являются Гольян (promelas) Pimephales, дафнии ( Daphnia Magna , Д. Pulex , Д. блошница , Ceriodaphnia Dubia ), мошки (Chironomus tentans, С. ruparius), радужной форели (Oncorhynchus микижи),Sheepshead гольян (Cyprinodon variegatu), [5] рыба - зебра ( Danio rerio ), [6] мизиды (Mysidopsis), устрицы (Crassotreas), Scud (Hyalalla Ацтека), трава креветки (Palaemonetes Pugio) и мидии ( Mytilus galloprovincialis ). [7] Согласно определению ASTM, эти виды обычно отбираются на основе доступности, коммерческой, рекреационной и экологической значимости, успешного использования в прошлом и нормативного использования. [1]

Были опубликованы различные приемлемые стандартизированные методы испытаний. Некоторые из наиболее широко признанных агентств для публикации методов: Американская ассоциация общественного здравоохранения , Агентство по охране окружающей среды США (EPA), ASTM International , Международная организация по стандартизации , окружающей среде и изменению климата Канады и Организация экономического сотрудничества и развития . Стандартизованные тесты дают возможность сравнивать результаты между лабораториями. [1]

Существует множество видов тестов на токсичность, широко принятых в научной литературе и регулирующих органах. Тип используемого теста зависит от многих факторов: конкретного регулирующего органа, проводящего тест, имеющихся ресурсов, физических и химических характеристик окружающей среды, типа токсиканта, доступных тестируемых видов, лабораторных и полевых испытаний, выбора конечной точки, а также времени и ресурсы, доступные для проведения анализов, являются одними из наиболее распространенных факторов, влияющих на дизайн теста. [1]

Системы экспозиции [ править ]

Системы воздействия представляют собой четыре основных метода, которым контроли и тестируемые организмы подвергаются воздействию обработанной и разбавленной воды или тестовых растворов.

  • Статический. Статический тест обнажает организм в стоячей воде. Токсикант добавляется в воду для получения нужных концентраций для тестирования. Контрольные и тестовые организмы помещают в тестовые растворы, и воду не меняют на протяжении всего теста.
  • Рециркуляция. Тест на рециркуляцию подвергает организм воздействию токсиканта аналогично статическому тесту, за исключением того, что тестовые растворы прокачиваются через устройство (например, фильтр) для поддержания качества воды, но не для снижения концентрации токсичного вещества в воде. Вода непрерывно циркулирует через испытательную камеру, как в вентилируемом аквариуме. Этот тип теста дорог, и неясно, влияет ли фильтр или аэратор на токсикант.
  • Продление. Тест на обновление также подвергает организм воздействию токсического вещества так же, как и статический тест, потому что он находится в неподвижной воде. Однако в тесте обновления тестовый раствор периодически обновляется (через постоянные интервалы) путем переноса организма в свежую тестовую камеру с той же концентрацией токсиканта.
  • Протекать. При проточном испытании организм подвергается действию токсиканта с потоком в испытательные камеры, а затем из испытательных камер. Прямоточный поток может быть прерывистым или непрерывным. Предварительно необходимо приготовить основной раствор с правильной концентрацией загрязняющих веществ. Дозирующие насосы или разбавители будут контролировать поток и объем исследуемого раствора, а вода и загрязнитель будут смешаны в надлежащих пропорциях. [1]

Типы тестов [ править ]

Острые тесты - это тесты с краткосрочным воздействием (часы или дни), и обычно в качестве конечной точки используется летальность. При остром воздействии организмы вступают в контакт с более высокими дозами токсиканта в одном случае или в нескольких событиях в течение короткого периода времени и обычно вызывают немедленные эффекты, в зависимости от времени абсорбции токсиканта. Эти тесты обычно проводятся на организмах в течение определенного периода жизненного цикла организма и считаются тестами частичного жизненного цикла. Острые тесты недействительны, если смертность в контрольной выборке превышает 10%. Результаты представлены в EC50 или концентрации, которая повлияет на пятьдесят процентов размера образца. [1]

Хронические тесты - это долгосрочные тесты (недели, месяцы и годы), относящиеся к продолжительности жизни тестируемого организма (> 10% продолжительности жизни), и обычно используют сублетальные конечные точки. При хроническом воздействии организмы вступают в контакт с низкими непрерывными дозами токсичного вещества. Хроническое воздействие может вызывать эффекты острого воздействия, но также может приводить к эффектам, которые развиваются медленно. Хронические тесты обычно считаются тестами полного жизненного цикла и охватывают весь период генерации или репродуктивного жизненного цикла («от яйца к яйцу»). Хронические тесты не считаются действительными, если смертность в контрольной выборке превышает 20%. Эти результаты обычно указываются в NOEC (уровень отсутствия наблюдаемых эффектов) и LOEC (самый низкий уровень наблюдаемых эффектов).

Тесты на ранних этапах жизни рассматриваются как субхронические воздействия, которые не соответствуют полному репродуктивному жизненному циклу и включают воздействие на ранних, чувствительных этапах жизни организма. Эти воздействия также называют критическими стадиями жизни, тестами на эмбрион-личиночный тест или тест на яйцо. Тесты на ранних стадиях жизни не считаются действительными, если смертность в контрольной выборке превышает 30%. [1]

Краткосрочные сублетальные тесты используются для оценки токсичности сточных вод для водных организмов. Эти методы разработаны Агентством по охране окружающей среды и сосредоточены только на наиболее чувствительных этапах жизни. Конечные точки для этого теста включают изменения в росте, воспроизводстве и выживаемости. В этих тестах указаны значения NOEC, LOEC и EC50.

Тесты на биоаккумуляцию - это тесты на токсичность, которые могут использоваться для гидрофобных химических веществ, которые могут накапливаться в жировой ткани водных организмов. Токсиканты с низкой растворимостью в воде обычно могут накапливаться в жировой ткани из-за высокого содержания липидов в этой ткани. Хранение этих токсичных веществ в организме может привести к кумулятивной токсичности. В тестах на биоаккумуляцию используются факторы биоконцентрации (BCF) для прогнозирования концентраций гидрофобных загрязнителей в организмах. BCF - это отношение средней концентрации тестируемого химического вещества, накопленной в ткани тестируемого организма (в условиях устойчивого состояния), к средней измеренной концентрации в воде.

Испытания в пресной и соленой воде используют разные стандартные методы, особенно установленные регулирующими органами. Однако эти тесты обычно включают в себя контроль (отрицательный и / или положительный), серию геометрических разведений или другую подходящую серию логарифмических разведений, испытательные камеры и равное количество повторов, а также тестовый организм. Точное время воздействия и продолжительность теста будут зависеть от типа теста (острый или хронический) и типа организма. Температура, параметры качества воды и освещенность будут зависеть от требований регулятора и типа организма. [1]

В США многие предприятия по сбросу сточных вод (например, фабрики, электростанции, нефтеперерабатывающие заводы , шахты, муниципальные очистные сооружения ) обязаны проводить периодические испытания на токсичность всех сточных вод (WET) в соответствии с программой разрешений Национальной системы устранения выбросов загрязняющих веществ (NPDES). к Закону о чистой воде . На предприятиях, сбрасывающих воду в пресную воду, сточные воды используются для проведения испытаний на острую статическую токсичность с несколькими концентрациями с Ceriodaphnia dubia (водяная блоха) и Pimephales promelas.(толстоголовый гольян), среди других видов. Испытуемые организмы подвергаются воздействию в течение 48 часов в статических условиях с пятью концентрациями сточных вод. Основное отклонение в тестах на краткосрочную хроническую токсичность сточных вод и испытаниях на острую токсичность сточных вод состоит в том, что краткосрочный хронический тест длится семь дней, а острый тест длится 48 часов. Для сбросов в морские и устьевые воды в качестве тестовых видов использовались овчарки-гольяны ( Cyprinodon variegatus ), внутренние серебристые ( Menidia beryllina ), Americamysis bahia и пурпурный морской еж ( Strongylocentrotus purpuratus ). [8] [9]

Тесты отложений [ править ]

В какой-то момент большинство химических веществ, происходящих как из антропогенных, так и из естественных источников, накапливается в отложениях. По этой причине токсичность отложений может играть важную роль в неблагоприятных биологических эффектах, наблюдаемых у водных организмов, особенно тех, которые населяют бентические среды обитания. Рекомендуемый подход к тестированию отложений - применение триады качества отложений (SQT), которая включает одновременное изучение химического состава отложений, токсичности и полевых изменений, чтобы можно было собрать более полную информацию. Сбор, обработка и хранение осадка могут повлиять на биодоступность, и по этой причине для этой цели были разработаны стандартные методы. [1]

Токсикологические эффекты [ править ]

Токсичность можно разделить на две широкие категории: прямая и непрямая токсичность. Прямая токсичность возникает в результате действия токсиканта в месте действия в организме или на нем. Косвенная токсичность возникает при изменении физической, химической или биологической среды.

Летальность - наиболее распространенный эффект, используемый в токсикологии и используемый в качестве конечной точки для тестов на острую токсичность. При проведении тестов на хроническую токсичность изучаются сублетальные эффекты. Эти конечные точки включают поведенческие, физиологические, биохимические и гистологические изменения. [1]

Когда организм одновременно подвергается воздействию двух или более токсичных веществ, возникает ряд эффектов. Эти эффекты включают аддитивные эффекты, синергические эффекты, эффекты потенцирования и антагонистические эффекты. Аддитивный эффект возникает, когда комбинированный эффект равен комбинации или сумме отдельных эффектов. Синергетический эффект возникает, когда комбинация эффектов намного больше, чем два отдельных эффекта, сложенных вместе. Усиление - это эффект, который возникает, когда отдельное химическое вещество не имеет эффекта, добавляется к токсиканту, и комбинация имеет больший эффект, чем просто токсикант. Наконец, антагонистический эффект возникает, когда комбинация химических веществ оказывает меньшее влияние, чем сумма их индивидуальных эффектов.[1]

Важные ресурсы по водной токсикологии [ править ]

См. Также: базы данных по водной токсикологии
  • ASTM International (бывшее Американское общество испытаний и материалов). Основанная на консенсусе организация, представляющая 135 стран, которая разрабатывает и предоставляет международные добровольные стандартные методы тестирования водной токсичности. [10]
  • Стандартные методы исследования воды и сточных вод. Сборник методов анализа воды, опубликованный совместно Американской ассоциацией общественного здравоохранения (APHA), Американской ассоциацией водопроводных сооружений (AWWA) и Федерацией водной среды . [11]
  • «Экотокс». База данных, поддерживаемая Агентством по охране окружающей среды, которая предлагает информацию о единой химической токсичности как для водных, так и для наземных целей. [12]
  • Общество экологической токсикологии и химии (SETAC). Некоммерческое всемирное сообщество, работающее над продвижением научных исследований для более глубокого понимания факторов экологического стресса, экологического образования и использования науки в экологической политике. [13]
  • Агентство по охране окружающей среды США издает руководства с изложением процедур испытаний на токсичность в водной среде. [8] [9]
  • Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР). Форум для правительств для совместной работы по продвижению политики, направленной на улучшение социального и экономического благополучия людей во всем мире. Один из способов достижения этой цели - разработка руководств по испытаниям на водную токсичность. [14]
  • Окружающая среда и изменение климата Канада . Ведущее федеральное агентство Канады по охране окружающей среды. [15]

Терминология [ править ]

  • Средняя смертельная концентрация ( LC50 ) - химическая концентрация, которая, как ожидается, убьет 50% группы организмов.
  • Средняя эффективная концентрация ( EC50 ) - химическая концентрация, которая, как ожидается, окажет одно или несколько определенных эффектов на 50% группы организмов.
  • Критический остаток организма (CBR) - подход, который регулярно исследует химические концентрации всего тела подвергнутого воздействию организма, что связано с неблагоприятной биологической реакцией.
  • Исходная токсичность - относится к наркозу, который представляет собой снижение биологической активности из-за присутствия токсичных веществ в организме.
  • Биомагнификация - процесс, при котором концентрация химического вещества в тканях организма увеличивается при прохождении через несколько уровней пищевой сети.
  • Самая низкая наблюдаемая концентрация эффекта (LOEC) - самая низкая тестовая концентрация, которая имеет статистически значимый эффект в течение определенного времени воздействия.
  • Концентрация без наблюдаемого эффекта (NOEC) - самая высокая тестовая концентрация, для которой не наблюдается никакого эффекта, по сравнению с контролем в течение определенного времени воздействия.
  • Максимально допустимая концентрация токсичного вещества (MATC) - расчетное значение, которое представляет собой наивысшую «не оказывающую воздействия» концентрацию определенного вещества в пределах диапазона, включая NOEC и LOEC.
  • Фактор применения (AF) - «безопасная» концентрация химического вещества, полученная эмпирическим путем.
  • Биомониторинг - постоянное использование живых организмов для анализа изменений окружающей среды с течением времени.
  • Сточные воды - жидкие промышленные сбросы, которые обычно содержат различные химические токсичные вещества.
  • Количественная взаимосвязь структура-активность (QSAR) - метод моделирования взаимосвязи между биологической активностью и структурой органических химикатов.
  • Способ действия - набор общих поведенческих или физиологических признаков, которые представляют собой тип неблагоприятной реакции.
  • Механизм действия - подробные события, которые происходят на молекулярном уровне во время неблагоприятной биологической реакции.
  • K OW - Коэффициент распределения октанол-вода, который представляет собой отношение концентрации октанола к концентрации химического вещества в воде.
  • Фактор биоконцентрации (BCF) - отношение средней химической концентрации в тканях организма в устойчивых условиях к средней химической концентрации, измеренной в воде, воздействию которой подвергаются организмы.

Все термины были получены от Rand. [1]

Значение в контексте регулирования [ править ]

В Соединенных Штатах водная токсикология играет важную роль в программе разрешений на сточные воды NPDES . В то время как большинство предприятий по сбросу сточных вод обычно проводят аналитические химические испытания на наличие известных загрязнителей , тесты на токсичность целых сточных вод стандартизированы и проводятся регулярно в качестве инструмента для оценки потенциальных вредных воздействий других загрязнителей, которые специально не регулируются в разрешениях на сброс. [8]

Программа качества воды EPA опубликовала критерии качества воды (для отдельных загрязнителей) и стандарты качества воды (для водных объектов), которые были получены в результате испытаний на токсичность в водной среде. [16]

Рекомендации по качеству осадка [ править ]

Хотя руководства по качеству отложений не предназначены для регулирования, они предоставляют способ ранжирования и сравнения качества отложений, разработанные Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA). [17] Эти рекомендации по качеству отложений кратко изложены в кратких справочных таблицах NOAA (SQuiRT) для многих различных химикатов. [18]

См. Также [ править ]

  • Закон о чистой воде (в США)
  • Экотоксикология
  • Цианотоксин
  • Пресноводная биология
  • Гидробиология
  • загрязнение морской среды
  • Токсичность нефтяного загрязнения для морской рыбы
  • Токсикология
  • Ядовитая рыба
  • Управление водными ресурсами
  • Загрязнение воды
  • Очистка воды
  • Качество воды

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r Rand, Gary M .; Петрочелли, Сэм Р. (1985). Основы водной токсикологии: методы и приложения . Вашингтон: Hemisphere Publishing. ISBN 978-0-89116-382-4.
  2. ^ Итоговый отчет: исследование межлабораторной изменчивости методов испытаний EPA на краткосрочную хроническую и острую токсичность всех сточных вод, Том 1 (Отчет). Вашингтон, округ Колумбия: Агентство по охране окружающей среды США (EPA). Сентябрь 2001 г. EPA 821-B-01-004.
  3. ^ «Методы измерения острой токсичности сточных вод и принимающих вод для пресноводных и морских организмов, пятое издание» . EPA. Октябрь 2002 г. EPA 821-R-02-012.
  4. ^ "История стандартов качества воды" EPA. Получено 6 июня 2012 г. Архивировано 28 июня 2012 г. на Wayback Machine
  5. ^ Кэлоу, Питер P (2009). Справочник по экотоксикологии . Джон Вили и сыновья. п. 900. ISBN 978-1444313505.
  6. ^ Лю, Фу-Цзюнь; Ван, Цзя-Шэн; Теодоракис, Крис В. (май 2006 г.). «Тиреотоксичность арсената натрия, перхлората натрия и их смеси у рыбок данио Данио рерио». Наука об окружающей среде и технологии . 40 (10): 3429–3436. Bibcode : 2006EnST ... 40.3429L . DOI : 10.1021 / es052538g . ISSN 0013-936X . PMID 16749717 .  
  7. ↑ Видаль-Линьян, Летисия; Беллас, Хуан; Кампильо, Хуан Антонио; Бейрас, Рикардо (январь 2010 г.). «Комплексное использование антиоксидантных ферментов в мидиях Mytilus galloprovincialis для мониторинга загрязнения высокопродуктивных прибрежных районов Галисии (северо-запад Испании)». Chemosphere . 78 (3): 265–272. Bibcode : 2010Chmsp..78..265V . DOI : 10.1016 / j.chemosphere.2009.10.060 . PMID 19954813 . 
  8. ^ a b c «Общая токсичность сточных вод (WET)» . Национальная система устранения сбросов загрязнителей (NPDES) . EPA. 2017-10-10.
  9. ^ a b «Методы определения токсичности всех сточных вод» . EPA. 2018-04-19.
  10. ^ «О ASTM International» . Западный Коншохокен, Пенсильвания . Проверено 24 декабря 2018 .
  11. ^ Бэрд, Роджер Б .; Clesceri, Leonore S .; Eaton, Andrew D .; и др., ред. (2012). Стандартные методы исследования воды и сточных вод (22-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Американская ассоциация общественного здравоохранения. ISBN 978-0875530130.
  12. ^ EPA «База знаний ECOTOX» . Проверено 13 декабря 2018 г.
  13. ^ "Общество экологической токсикологии и химии" . Пенсакола, Флорида . Проверено 24 декабря 2018 .
  14. ^ «Об Организации экономического сотрудничества и развития» . Париж, Франция . Проверено 24 декабря 2018 .
  15. ^ "Окружающая среда и изменение климата Мандат Канады" . Оттава, Онтарио. 2018-12-10.
  16. ^ Руководство по выведению числовых национальных критериев качества воды для защиты водных организмов и их использования (отчет). EPA. 1985. PB85-227049.
  17. ^ «Рекомендации по качеству отложений, разработанные для Национальной программы по статусу и тенденциям». Архивировано 12 июня 2013 г. на сайте Wayback Machine National Status & Trends, 1999.
  18. ^ "SQuiRT" Национальное управление океанических и атмосферных исследований, 2008 г.