Застосування біологічних систем раннього попередження: впровадження перспективного підходу до моніторингу якості вод
Анотація
Мета. Проведення аналізу набутого міжнародного досвіду з розробки та вдосконалення біологічних системи раннього попередження.
Методика. Оцінка спроможності вдосконалення існуючих біологічних систем раннього попередження для проведення безперервного моніторингу якості різних категорій вод.
Результати. Поведінкові реакції застосовувалися протягом десятиліть як інструменти для тестування водної токсичності, але їм приділялося набагато менше уваги, ніж дослідженням, що оцінюють летальність, розвиток або розмноження. Завдяки вдосконаленню візуальних і невізуальних інструментів оцінки та розширенню знань про важливість поведінки для здоров'я та фізичної форми організму інтерес до поведінкового аналізу зріс в останні роки. Однак, наскільки нам відомо, ніколи не проводилася кількісна оцінка доступних методів тестування токсичності організмів, тому неясно, чи є поведінкові дослідження цінним доповненням до моніторингу водного середовища. За результатами цього літературного огляду встановлено, що поведінкові дослідження є порівняно швидкими і чутливими, а тому заслуговують на подальшу увагу як інструменти для оцінки токсикологічних ефектів забруднювачів водного середовища. Ми вважаємо, що дослідження, спрямовані на розробку та оптимізацію методів поведінкового аналізу, можуть виявитися надзвичайно корисними для галузі токсикології, але майбутня робота має бути спрямована на визначення того, які конкретні моделі поведінки є найбільш чутливими до різних класів забруднювачів, а також на розуміння значущості змін у дискретній поведінці для впливу на здоров'я та фізичну форму організму.
Висновки. Біологічні системи раннього попередження (БСПО) здебільшого спираються на поведінкові реакції, деякі також оцінюють інші параметри, такі як вплив на флуоресценцію хлорофілу водоростей, на пікові рівні забруднення, з яких виводяться порогові значення. Зміни в поведінці є кращими за показники смертності та інші сублетальні реакції, оскільки вони усувають розрив між індивідуальною та популяційною релевантністю та є індикаторами значного впливу хімічного забруднення на популяцію перед більш серйозними наслідками (тобто зниженням чисельності популяції).
Завантаження
Посилання
Krainyukov, O., Kryvytska, I., Naydyonova, O. (2024). Algorithm for evaluating the basic set of taxa to determine their effectiveness. Ukrainian Journal of Natural Sciences, 8, 252-269. https://doi.org/10.32782/naturaljournal.8.2024.26
Sandbacka, M., Christianson, I., Isoma, B. (2000). The acute toxicity of surfactants on fish cells, Daphnia magna and fish-A comparative study, Toxicology in Vitro, 14(1), 61-68. https://doi.org/10.1016/S0887-2333(99)00083-1
Roex, W.M., Giovannangelo, M., van Gestel, C.A.M. (2001). Reproductive Impairment in the Zebrafish, Danio rerio, upon Chronic Exposure to 1,2,3-Trichlorobenzene. Ecotoxicology and Environmental Safety, 48(2), 196-201. https://doi.org/10.1006/eesa.2000.2029
Slabbert, J.L., Venter, E.A. (1999). Biological assays for aquatic toxicity testing, Water Science and Technology, 39(10–11), 367-373. https://doi.org/10.1016/S0273-1223(99)00300-5
Baumgarten, S.. Escher, B. I., Fenner, K., Hofstetter, T. B., Wehrli, B. (2007). Evaluation of advanced treatment technologies for the elimination of pharmaceutical compounds. Water Sci. Technol., 56(5), 1-8. https://doi.org/10.2166/wst.2007.550
Schwarzenbach, R.P. Escher, B. I., Fenner, K., Hofstetter, T. B., Wehrli, B. (2006). The challenge of micropollutants in aquatic systems. Science, 313(5790), 1072-1077. https://doi.org/10.1126/science.1127291
Loos, R. Gawlik, B. M., Locoro, G., Rimaviciute, E., Contini, S., Bidoglio, G. (2009). EU-wide survey of polar organic persistent pollutants in European river waters. Environ. Pollut., 157(2), 561-568. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2008.09.020
Schäfer, R.B., von der Ohe, P. C., Kühne, R., Schüürmann, G., Liess, M. (2011). Occurrence and toxicity of 331 organic pollutants in large rivers of north Germany over a decade (1994 to 2004). Environ. Sci. Technol., 45 (14), 6167-6174. https://doi.org/10.1021/es2013006
Kienle, C., Vermeirssen, E. L. M., Schifferli, A., Singer, H., Stamm, C., Werner, I. (2019). Effects of treated wastewater on the ecotoxicity of small streams - unravelling the contribution of chemicals causing effects. PLoS One, 14(12), 1-30. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0226278
Kienle, C. Werner, I., Fischer, S., Lüthi, C., Schifferli, A., Besselink, H.,. Langer, M., McArdell, C. S., Vermeirssen, E. L.M. (2022). Evaluation of a full-scale wastewater treatment plant with ozonation and different post-treatments using a broad range of in vitro and in vivo bioassays. Water Research, 212, 118084. https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.118084
Mikol, Y.B., Richardson, W. R., Van Der Schalie, W. H., Shedd, T. R., Widder, M. W. (2007). An Online real-time biomonitor for contaminant surveillance in water supplies. J. Am. Water Works Assoc., 99(2), 107-115. https://doi.org/10.1002/j.1551-8833.2007.tb07873.x
Bownik A., Wlodkowic D. (2021). Advances in real-time monitoring of water quality using automated analysis of animal behavior. Sci. Total Environ., 789, 147796, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147796
Krainyukova, A. M., Krainyukov, O. M., Kryvytska, I. A. (2019). Study of the dependence of the toxic effect on the time of contact of toxicants with algae culture. Visnyk of the V. N. Karazin Kharkiv National University. Series "Ecology", (21), 72-80. https://doi.org/10.26565/1992-4259-2019-21-06
Krainyukova, A. M., Krainyukov, O. M., Kryvytska, I. A. (2020). Using photosynthetic activity of algae for toxicity assessment with the aim of creating a portable device. Bulletin of V. N. Karazin Kharkiv National University. Series "Ecology", (22). 82-92. https://doi.org/10.26565/1992-4259-2020-22-08
Krainyukov, O. M., Kryvytsk, I. A. (2020). Study of the dependence of the heart rate of Daphnia Magna on the concentration of the toxicant. International scientific journal "Internauka", 14(92), 7-10.
Gerhardt, A., Kienle, C., Allan, I. J., Greenwood, R., Guigues, N., Fouillac, A.-M., Millsd, G. A., Gonzaleze, C. (2007). Biomonitoring with Gammarus pulex at the meuse (NL), aller (GER) and rhine (F) rivers with the online multispecies freshwater biomonitor. J. Environ. Monit., 9, 979-985. https://doi.org/10.1039/b706619h
Baldwin, I. G., Harman, M. M.I., Neville, D. A. (1994). Performance characteristics of a fish monitor for detection of toxic substances-I. Laboratory trials. Water Research, 28(10), 2191-2199. https://doi.org/10.1016/0043-1354(94)90031-0
Scott, G. R., Sloman, K. A. (2004). The effects of environmental pollutants on complex fish behaviour: integrating behavioural and physiological indicators of toxicity. Aquatic Toxicology, 68(4), 369-39. https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2004.03.016
Gerhardt, A., Carlsson, A., Ressemann, C. (1998). A new online biomonitoring system for Gammarus pulex (L.) (Crustacea): in situ test below a copper effluent in South Sweden. Environ. Sci. Technol., (32), 150-156. https://doi.org/10.1021/es970442j
Maradona, A. Marshall, G., Mehrvar, M., Pushchak, R., Laursen, A. E., McCarth, L. H., Bostan, V., Kimberley, A. (2012). Utilization of multiple organisms in a proposed early-warning biomonitoring system for real-time detection of contaminants: preliminary results and modeling. Journal of Hazardous Materials, 219–220, 95-102. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2012.03.064
Amiard-Triquet C. (2009). Behavioral Disturbances: The Missing Link between Sub-Organismal and Supra-Organismal Responses to Stress? Prospects Based on Aquatic Research. Human and Ecological Risk Assessment: An International Journal, 15(1), 87–110. https://doi.org/10.1080/10807030802615543
Gerhardt A. (2007). Aquatic Behavioral Ecotoxicology-Prospects and Limitations. Human and Ecological Risk Assessment: An International Journal, 13(3), 481–491. https://doi.org/10.1080/10807030701340839
Gerhardt, A., Ingram, M. K.,. Shimon, K. I. J. (2006). In situ on‐line toxicity biomonitoring in water: Recent developments. Environmental Toxicology and Chemistry, 25(9), 2263–2271, https://doi.org/10.1897/05-486R1.1
Shukla, S.J., Huang, R., Austin, C.P. (2010). The future of toxicity testing: a focus on in vitro methods using a quantitative high-throughput screening platform. Drug Discov. Today, 15(23–24), 997-1007. https://doi.org/10.1016/j.drudis.2010.07.007
Noack, U., Walter, J. (1992). The algae toximeter for continuous water monitoring. Schriftenreihe des Vereins fur Wasser-, Boden-und Lufthygiene, 89, P. 305-309.
Voetz, M. (2015). Application of an online toxicity early warning system upstream of the influent of the activated sludge stage of the Hamburg sewage treatment plant network. Anwendungsmöglichkeit eines Online-Toxizitäts-Frühwarnsystems vor dem Zulauf der Belebungsstufe des Hamburger Klärwerksverbundes. 5, 8-57. http://edoc.sub.uni-hamburg.de/haw/volltexte/2015/3032/
Ebert, D. (2005). Ecology, epidemiology and evolution of parasitism in Evolution. 3, https://doi.org/10.1108/02634501111102760
Moldaenke, C. (1998). Report of the project Weiterentwicklung eines mathematische n Modells zur on-line-Erkennung von signifikanten Messwert aenderungen i n dynamischen Biotestrerfahren. DCWK, 1, 2, 95-99.
Villa, S., Nica, V. D., Bellamoli, F., Pescatore, T., Ferrario, C., Finizio, A., Lencioni, V. (2018). Effects of a treated sewage effluent on behavioral traits in Diamesa cinerella and Daphnia magna. J. Limnol., 77(1), 121-130. https://doi.org/10.4081/jlimnol.2018.1760
Gerhardt, A.(2020). Online Biomonitoring for integrated smart real-time water management. Water Solut, 3, 20-23. https://www.limco-int.com/wp-content/uploads/2020/12/05_WasteWater_Report_LimCo.pdf
Strategiepapier Kontinuierliche Biotestverfahren für die Emissionsüberwachung. Working Group of the Federal States on Water Problems (LAWA): Stuttgart, Germany. 2000. https://www.hamburg.de/contentblob/113214/76a5a97b1732495bc7478916a338bb5a/data/emissionsueberwachung.pdf
Anliker, S. (2020). Assessing emissions from pharmaceutical manufacturing based on temporal high-resolution Mass spectrometry data. Environ. Sci. Technol., 54(7), 4110-4120, https://doi.org/10.1021/acs.est.9b07085
Balaram, V., Copia, L., Kumar, U. S., Miller, J., Chidambaram, S. (2023). Pollution of water resources and application of ICP-MS techniques for monitoring and management—A comprehensive review. Geosystems and Geoenvironment, 2(4), 100210. https://doi.org/10.1016/j.geogeo.2023.100210
Lapworth, D.J., Baran, N., Stuart, M.E. (2012). Emerging organic contaminants in groundwater: a review of sources, fate and occurrence. Environ. Pollut., 163, 287-303. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2011.12.034
Baillieul, M., Scheunders, P. (1998). On-line determination of the velocity of simultaneously moving organisms by image analysis for the detection of sublethal toxicity. Water Research, 32(4), 1027-1034. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(97)00321-7
Benecke, G., Falke, W., Schmidt, C. (1982). Use of algal fluorescence for an automated biological monitoring system. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology. 28(4), 385-395. https://doi.org/10.1007/bf01607700
Michels E., Leynen, M., C. Cousyn., Meester, L. D., Ollevier, F. (1999). Phototactic behavior of Daphnia as a tool in the continuous monitoring of water quality: Experiments with a positively phototactic Daphnia magna clone. Water Res., 2, 401–408. https://doi.org/10.1016/S0043-1354(98)00213-9
Ren, Z., Zha, J., Ma, M., Wang, Z., Gerhardt, A. (2007). The early warning of aquatic organophosphorus pesticide contamination by on-line monitoring behavioral changes of Daphnia magna. Environ. Monit. Assess., 134, 373–383. https://doi.org/10.1007/s10661-007-9629-y
Baillieul, M., Blust, R. (1999). Analysis of the swimming velocity of cadmium-stressed Daphnia magna. Aquatic Toxicology, 44(4), 245-254. https://doi.org/10.1016/S0166-445X(98)00080-0
Bae, Mi-J., Park, Y.-S. (2014). Biological early warning system based on the responses of aquatic organisms to disturbances: A review. Science of The Total Environment, 466–467, 635-649. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.07.075
Dodson, S. I., Hanazato, T., Gorski, P. R. (1995). Behavioral responses of Daphnia pulex exposed to carbaryl and Chaoborus kairomone. Environmental Toxicology and Chemistry, 14(1), 43-50. https://doi.org/10.1002/etc.5620140106
Авторське право (c) 2025 Крайнюков О. М., Щокіна М. М.
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License 4.0 International (CC BY 4.0), котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
