УДК 37.013

Пример методики организации проектно-исследовательской работы школьника по биотестированию качества воды различных водных объектов

Рахимова София Ниловна – ученица Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения города Москвы «Пятьдесят седьмая школа».

Черепанова Елизавета Юрьевна – ученица Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения города Москвы «Пятьдесят седьмая школа».

Карпенко Дарья Тимофеевна – учитель биологии Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения «Средняя общеобразовательная школа №64 г. Владивостока».

Чернов Тимур Александрович – учитель биологии Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения города Москвы «Пятьдесят седьмая школа»; научный сотрудник Лаборатории молекулярно-биологических и нейробиологических проблем и биоскрининга Московского физико-технического института.

Аннотация: Авторы представили опыт организации и проведения проектно-исследовательской работы для старших школьников по биологии, пример подсчета результатов и обсуждения итогов эксперимента. Предлагаемая методика позволяет произвести экспресс-оценку экологического состояния водного объекта с использованием легко доступного организма – легочного брюхоногого моллюска Helisoma trivolvis. Данная методика может быть легко адаптирована как для тестирования не водных объектов, а других образцов (к примеру, воздействие растворов различных веществ в разных концентрациях) так и под использование любого другого доступного пресноводного моллюска, без потери значимости получаемых результатов. В случае внедрения оригинальной методики в педагогическую практику и воспроизведения ее каждый учебный год, на одних и тех же водных объектах, возможно получить данные по динамике изменения качества воды. Подобные данные особенно интересны в ситуации реализации регионального компонента в педагогической практике, могут быть использованы для сравнения динамики экологических изменений в конкретной локации с общерегиональными и мировыми трендами. Исследовательские работы, содержащие подобную информацию в большинстве случаев высоко оцениваются на различных конкурсах проектных работ школьников.

Ключевые слова: проектная деятельность, брюхоногий моллюск, экомониторинг, биотестирование, экологическое образование.

Введение

Биоиндикация – широко распространенный метод экспресс-оценки экологического состояния окружающей среды, производящийся по средствам анализа наличия-отсутствия тех или иных организмов в исследуемой среде, либо их физиологического состояния. Архитектура данного метода основывается на анализе определенных видов-индикаторов, остро реагирующих на колебания тех или иных параметров окружающей среды [1]. В качестве организмов-биондикаторов могут выступать животные, растения, грибы (лишайники) или бактерии [2].

Методы биоиндикации чаще всего не могут показать какой именно параметр среды выходит за границы нормы, однако, по причине своей простоты и эффективности может послужить удобным методом эвристического поиска нарушенных сред обитания для дальнейшего более детального исследования с привлечением методов физико-химического анализа [3].

На данный момент выделяют два основных подхода в биоиндикации – пассивная и активная биоиндикация. Под пассивной биоиндикацией подразумевают совокупность методов оценки состояния биотопа по наличию обитающих в нем организмов. Отсутствие одних организмов и/или чрезмерное присутствие других является следствием отражения тех или иных параметров среды. К примеру, по ряду представителей планктонных организмов можно оценить соленость и температурный диапазон водного объекта. Некоторые хвойный растения, а также лишайники могут служить показателем чистоты воздуха. Почвенные беспозвоночные служат индикаторами уровня поступления органических веществ, аэрированности и многих других параметров [2].

Наряду с пассивной биоиндикацией также выделяют активную, иначе называемую биотестированием. При данном подходе модельный объект, называемый «тест-организмом» помещается в среду, параметры которой необходимо исследовать [1]. Основное отличие данных методов заключается в том, что при использовании пассивной биоиндикации оценивается состояние организмов, естественно проживающих в данной среде. В ситуации биотестирования мы искусственно вносим лабораторные объекты в исследуемую среду и по их состоянию производим оценку степени загрязнения или других параметров [4].

Биоиндикация способна выявить значимые отклонения в среде целого спектра таких параметров, как pH, концентрация различных солей, содержание пестицидов и других ксенобиотиков, радиационный фон [2]. Распространенными, на данный момент, тест-объектами для анализа качества воды выступают бактерии Photobacterium phosphoreum (Microtox-тест) [5] [9], дафнии и рыбки гуппи [10]. Однако, их использование требует значительных затрат, серьезных объемов культивационных аквариумов, специальной аппаратуры для снятия физиологических параметров. В случае оценки состояния почвы, тест-объектами могут выступать некоторые виды растений, панцирные клещи, дождевые черви и коллемболы [7].

Биотестирование, на ряду с использованием для оценки состояния естественных биотопов, так же широко используется при необходимости установления токсичности различных веществ, их мутагенных и канцерогенных свойств, потенциального опасного воздействия при попадании данных веществ в окружающую среду [2].

В контексте вышесказанного весьма удобным объектом для биотестирования может выступать легочный брюхоногий моллюск Helisoma trivolvis. H. trivolvis является весьма распространенным моллюском средней полосы [6]. Широко распространен в районах бореальных и лиственных лесов, предпочитает сложившиеся экосистемы озер и прудов с достаточными отложениями ила, так же может обитать в ручьях с медленным течением. Благодаря тому, что особи H. trivolvis хорошо культивируются, способны регулярно откладывать яйца на протяжении всего года – культуру этого моллюска можно приобрести практически в любом магазине для аквариумистов.

Эмбриональное развитие протекает внутри прозрачной яйцевой капсулы, включая стадии трохофоры и велигера [8]. Все это наряду с синхронным развитием и соответствию каждой стадии определенного набора морфологических признаков – делает H. trivolvis весьма удобным лабораторным тест-организмом.

Методы и принципы исследования

Систематическое положение лабораторного объекта:

Царство: Animalia

Тип: Mollusca

Класс: Gastropoda

Отряд: Pulmonata

Семейство: Planorbidae

Род: Planorbella

Вид: P. trivolvis (Helisoma trivolvis)

Лабораторная культура моллюсков содержалась в 15-литровых емкостях с отстоянной водопроводной водой. Смена воды производилась регулярно два раза в неделю. Кормление H. trivolvis производилось листовым салатом три раза в неделю (Пн., Ср., Пт.). Сбор кладок осуществлялся с помощью микробиологической петли, помогающей атравматично отделить кладку от субстрата. Перед входом в эксперимент кладки микроскопировались на предмет синхронности развития и полиэмбрионии. Кладки с подозрением на нетипичное развитие отбраковывались и не входили в эксперимент.

Отобранный материал помещался в чашки Петри, заполненные водой из исследуемых водоемов. Всего в эксперименте участвовало 8 групп – 7 образцов воды и контроль, в качестве которого использовалась отстоявшаяся водопроводная вода, аналогичная той, в которой содержалось маточное поголовье. В качестве экспериментальных образцов использовались образцы из следующих источников: пруд рядом с рекой Яуза (1), средний Лианозовский пруд (2), Ангарский пруд (3), Хлебниковский пруд (4), река Яуза (5), лианозовский родник (6), вода из школьного кулера (7). Восьмой контрольный образец – отстоянная водопроводная вода, аналогичная той, в которой содержалось исходная маточная культура.

В целях стандартизации условий эксперимента, все кладки культивировались в термостате при температуре +25°C. В течение 14 дней ежедневно проводилось микроскопирование образцов на предмет учета количества нормально развивающихся и погибших особей.

Основные результаты

Данные по выживаемости эмбрионов приведены в Таблице 1.

Таблица 1.Данные по выживаемости эмбрионов в разных группах с 0 по 14 день эксперимента.

Для удобства восприятия полученных результатов, на основе имеющихся данных был построен график, отражающий процент выживших и прошедших нормальное развитие эмбрионов относительно эмбрионов, вошедших в эксперимент. Результаты приведены на Рисунке 1.

Рисунок 1. График зависимости процента выживших эмбрионов от дня эксперимента по разным группам.

Обсуждение

Приведенные результаты демонстрируют наибольшую смертность в водах из московских прудов. Самую высокую летальность продемонстрировала вода из пруда рядом с рекой Яуза. Все экспериментальные особи погибли на девятый день эксперимента. Чуть-чуть более позитивными являются результаты, полученные на пробах из Ангарского, Лианозовского и Хлебниковского прудов (81% и 75%, 70% смертности соответственно), тем не менее, данные наблюдения демонстрируют катастрофическую смертность в исследуемых группах. Данное явление может быть вызвано существенной эвтрифицированностью исследуемых водных объектов, приводящей к накоплению в воде значительных количеств растворенных органических и прочих веществ.

Вода из реки Яуза продемонстрировала значительно белее обнадеживающие результаты – до конца эксперимента дожили и вылупились 50% экспериментальных животных. Мы связываем эти результаты с проточным характером данного водного источника.

Наиболее оптимальной для развития эмбрионов H. trivolvis оказалась вода из Лианозовского родника, смертность в этой группе оказалась меньше, чем в контроле. Однако, различия по сравнению с контролем незначительны и находятся в пределах погрешности. Смертность в контроле не превышает параметров, приведенные в литературе [11].

Интересным фактом является обнаружение крайне высокой летальности при инкубировании эмбрионов в пробе воды из школьного кулера. Однако, рано делать выводы об опасности данной воды для употребления человеком. При подготовке бутилированной воды применяются различные способы очистки, ряд из которых существенным образом снижает жесткость воды. А наличие доступных ионов кальция, в окружающей зародыш моллюска среде, необходимо для адекватного формирования протоконха моллюска (первичной раковины), а соответственно и нормального развития.

Заключение

Продемонстрированный опыт организации проектно-исследовательской работы наглядно показывает, как работая с достойнейшим организмами и материалами можно получить интересные для интерпретации результаты, получить задел для дальнейших исследований и сопоставлений. Рассмотрим выводы, которые можно сделать, основываясь на проведенной работе:

1. Существенная зависимость развития кладок H. trivolvis от состава окружающей их воды делает данного моллюска удобным объектом для биотестирования воды.
2. Метод биотестирования способен дать первичные представления, сузить круг образцов, исследование которых требует привлечения физико-химических методов исследования.
3. Метод биотестирования показывает результат воздействия целого спектра факторов, исследуемого образца на жизнеспособность тест-объекта, но не дает данных для выводов о конкретн
4. Попытка прямого перенесения результатов, полученных в экспериментах с участием лабораторных объектов на человеческую популяцию – таит в себе опасность серьезных допущений.

В целях дальнейшего развития проекта имеет смысл проверить пробы, показавшие существенные отличия по смертности эмбрионов с использование пула физико-химических методик, использующихся для оценки качества воды [12], для выявления конкретных параметров, являющихся причиной наблюдаемых результатов.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Московского физико-технического института (ЦКП Прикладная Генетика № 075-15-2021-684)

Благодарности

Исследование проведено благодаря поддержке ЦКП Прикладной Генетики МФТИ, Россия (грант поддержки 075-15-2021-684)

Список литературы

1. Измайлова Н.Л. Биотестирование и биоиндикация состояния водных объектов: учебно-методическое пособие к лабораторным работам по прохождению учебной (ознакомительной) практики / Н.Л. Измайлова, О.А. Ляшенко, И.В. Антонов – СПб: СПбГТУРП, 2014. – 52 c.
2. Мелихова О.П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование / О.П. Мелихова, Е.И. Егорова – М.: Академия, 2007. – 288 c.
3. Криволуцкий Д.А. Биоиндикация и биомониторинг / Д.А. Криволуцкий – М.: Наука, 1991. – 288 c.
4. Жмур Н.С. Государственный и производственный контроль токсичности вод методами биотестирования в России / Н.С. Жмур – М.: Международный Дом сотрудничества, 1997. – 117 c.
5. Qureshi A.A. Microscale Testing in Aquatic Toxicology: Advances, Techniques, and Practices / A.A. Qureshi, A.A. Bulich, D.L. Isenberg – Melbourne: CRC Press, 1998. – 720 p.
6. Иванова-Казас О.М. Сравнительная эмбриология беспозвоночных животных. Трохофорные, щупальцевые, щетинкочелюстные, погонофоры / О.М. Иванова-Казас – М.: Наука, 1977. – 376 c.
7. Криволуцкий Д.А. Почвенная фауна в экологическом контроле / Д.А. Криволуцкий – М.: Наука, 1994. – 269 c.
8. Мещеряков В.Н. Объекты биологии развития / В.Н. Мещеряков – М.: Наука, 1975. – 579 c.
9. Николаев А.Н. Основы микробиологии и биотехнологии / А.Н. Николаев, И.В. Нилова – СПб: СПбГТУРП, 2002. – 111 c.
10. Куриленко В.В. Основы экогеологии, биоиндикации и биотестирования водных экосистем / В.В. Куриленко – СПб: СПбГУ, 2004. – 480 c.
11. Березкина Г.В. Экология размножения и кладки яиц пресноводных легочных моллюсков. / Г.В. Березкина, Я.И. Старобогатов // Труды зоологического института. – 1988. – Т. 174. – c. 79-83.
12. Портал Департамента Природопользования и охраны окружающей среды города Москвы [Электронный ресурс]. – URL: https://www.mos.ru/eco.