1. Введение

Научные исследования последних лет продемонстрировали, что оценка качества поверхностных вод развивается по нескольким взаимосвязанным направлениям. Классические гидрохимические методы остаются основой оценки качества воды, обеспечивая данные о концентрациях химических компонентов, которые используются для расчёта гидрохимических индексов

[1][2][3][4][5]

Биотестирование и санитарно-бактериологический анализ являются комплементарными подходами в оценке экологического статуса водных систем, дополняя традиционный гидрохимический анализ. Современные российские исследования подтверждают, что микробиологическое исследование и биотестирование поверхностных вод выявляет токсические эффекты, которые трудно определить только гидрохимическими методами, демонстрируя связь между химическим и биологическим контролем

[6][7]

Целью данного исследования являлось изучение взаимосвязи между микробиологическими показателями и острой токсичностью сточных вод на урбанизированной территории.

2. Методы и принципы исследования

Отбор простых точечных проб для проведения комплексного исследования сточных вод ливневых коллекторов р. Которосль в пределах г. Ярославля осуществлялся в период с 2022 по 2025 гг. в соответствии с нормативом водного надзора 33-5.3.01-85 «Инструкция по отбору проб для анализа сточных вод», методическими указаниями по методам контроля «Санитарно-микробиологический и санитарно-паразитологический анализ воды поверхностных водных объектов» МУК 4.2.1884-04. Осуществлялась регистрация GPS-координат точек отбора проб (табл. 1).

Пробы воды отбирали в стерильные емкости из темного стекла, химически стойкие к исследуемой сточной воде, в турбулентных, хорошо перемешанных потоках на прямолинейных участках водоотводящих устройств вне зон действия подпора.

Для определения содержания общих колиформных бактерий (ОКБ) производили посев на модифицированную среду Эндо. Принимая во внимание неизвестную степень бактериального загрязнения сточных вод, засевали 3 последовательных десятикратных разведения (1:10, 1:100, 1:1000) в дистиллированной воде, выполняя каждый вариант разведения в двух повторностях. Посевной материал брали с таким расчетом, чтобы получить изолированные колонии. При высеве на подтверждающую среду типичных для лактозоположительных колоний выполняли оксидазный тест путем нанесения капель реактива на часть сектора. При обнаружении оксидазоотрицательных колоний давали положительный ответ на наличие ОКБ в данном объеме пробы.

Подсчитывали число подтвержденных колоний ОКБ. Результат подсчета суммировали и определяли число КОЕ в 100,0 мл по формуле: X=(a×100)/V, где X — число КОЕ в 100,0 мл, a — число подтвержденных колоний в сумме, V — объем профильтрованной воды. Норматив содержания общих колиформных бактерий: ≤500 КОЕ/100 мл.

Для определения числа Еscherichia соli (E. coli) использовали посевы, которые были сделаны для проведения анализа на ОКБ. При обнаружении в посевах в среду накопления газа, а при высеве на среду Эндо темно-красных колоний с металлическим блеском (или без него), одновременно подтверждали наличие Е. coli, для чего по 2–3 типичные колонии с каждого сектора засевали параллельно в пробирки с лактозной средой и средой, содержащей триптофан, для установления способности ферментировать лактозу до кислоты и газа и продуцировать индол.

Посев производили в среды, прогретые до температуры 44,0–45,0°C, немедленно переносили в термостат и инкубировали при температуре 44,0±1,0°C в течение 24 часов. Продукцию индола определяли с помощью реактива Ковача. Положительным считали результат при наличии кислоты и газа в лактозной среде и при образовании индола. Норматив колониеобразующих единиц E. coli: ≤ 100 КОЕ/100 мл.

Оценку острой токсичности проводили методом биотестирования с использованием Ceriodaphnia affinis Lilljeborg (C. affinis) по критериям летальности и сублетальных эффектов модельного объекта. В работе применялись стандартные методики (ФР.1.39.2010.09102, ГОСТ Р 56236-2014), основанные на экспозиции молоди C. affinis (возраст 6–24 ч) в пробах воды. Определяли смертность за 24–96 ч в 3–4 повторностях, используя 5–10 особей на концентрацию, при проведении острого токсического эксперимента.

Статистическая обработка данных проводилась при помощи пакета прикладных программ STATISTICA 12.0 (StatSoft Inc., США). Осуществлялась проверка нормальности распределения количественных признаков с использованием критерия Колмогорова-Смирнова с поправкой Лиллифорса. Для изучения взаимосвязи двух признаков использовался корреляционный анализ по Спирмену. Критический уровень статистической значимости принимался равным 5,0%.

3. Основные результаты

Проведенный корреляционный анализ продемонстрировал наличие статистически значимой связи между уровнем острой токсичности сточных вод и содержанием санитарно-показательных бактерий.

Обнаружена статистически значимая (p<0,05) средней силы прямая корреляционная связь (R=0,37) между показателями острой токсичности и содержания общих колиформных бактерий. Увеличение концентрации общих колиформных бактерий сопровождается тенденцией к повышению уровня острой токсичности исследуемых сточных вод.

Установлено наличие статистически значимой (p<0,05) прямой средней корреляции (R=0,32) между показателями острой токсичности и содержанием E. coli в сточных водах, что свидетельствуют об ассоциации острой токсичности и микробиологического загрязнения E. coli.

Принимая во внимание эксцессивный характер формирования острой токсичности, было предпринято исследование ее взаимосвязи с микробиологическими показателями в зависимости от сезонного периода (табл. 2).

Обнаружено наличие умеренной прямой корреляционной зависимости между показателями ОКБ и ОТ в зимний период (R=0,56; p<0,05), а также сильная положительная корреляция между содержанием E. coli и острой токсичностью (R=0,74; p<0,05) в осенний период.

4. Обсуждение

Наличие статистически значимой прямой корреляционной связи между показателями острой токсичности и содержанием общих колиформных бактерий свидетельствует о том, что источники микробиологического загрязнения, такие как хозяйственно-бытовые сточные воды, одновременно являются источниками широкого спектра органических и химических загрязнителей, способных повышать общую токсичность среды. Для хозяйственно-бытовых и городских сточных вод характерны чрезвычайно высокие концентрации колиформных бактерий, что отражает интенсивную степень микробного загрязнения и сопровождается поступлением различных биологически активных веществ в водные объекты [8].

Вместе с тем выявленная корреляция средней силы указывает на то, что содержание колиформных бактерий является лишь одним из факторов, влияющих на формирование токсичности сточных вод. Вероятно, значительную роль играют также химические загрязнители, продукты метаболизма микроорганизмов, а также другие микробиологические показатели [9].

Статистически значимая средняя положительная корреляция между показателями острой токсичности и содержанием E. coli, может указывать на наличие возможной взаимосвязи между уровнем микробиологического загрязнения и токсикологическими характеристиками исследуемой среды. Присутствие E. coli указывает на поступление хозяйственно-бытовых сточных вод и органических загрязнений, которые могут содержать широкий спектр химических и биологических контаминантов [10].

Источники фекального загрязнения сточных вод, как правило, являются также источниками различных органических веществ, фармацевтических соединений и других загрязнителей, способных повышать общую токсичность водной среды [11]. Кроме того, микробиологическое загрязнение может сопровождаться образованием биологически активных продуктов метаболизма микроорганизмов, которые способны усиливать токсическое воздействие на водные организмы. В связи с этим комплексная оценка микробиологических показателей и результатов биотестирования рассматривается как эффективный подход к экологической оценке качества водных объектов [12].

Микробиологические индикаторы могут частично отражать общий уровень загрязнения и токсического воздействия в водной среде. При этом сезонные различия в силе корреляции, вероятно, связаны с изменениями температурного режима, гидрологическими процессами и интенсивностью поступления загрязнений в водоемы [13].

Умеренная корреляция между показателями общих колиформных бактерий и острой токсичности в зимний период может быть обусловлена повышенной устойчивостью микроорганизмов и загрязняющих веществ при низких температурах. Зимой процессы биологической деградации органических и токсичных соединений замедляются, что способствует более длительному сохранению как патогенных микроорганизмов, так и токсикантов в водной среде.

Сильная положительная корреляция между содержанием E. coli и показателями острой токсичности в осенний период может указывать на усиление поступления загрязняющих веществ в водоем вследствие сезонных факторов, таких как поверхностный сток, выпадение осадков и разложение органического вещества. Осенью увеличивается перенос загрязнений с сельскохозяйственных территорий и урбанизированных зон, что может приводить к одновременному росту микробиологического загрязнения и токсичности воды [14].

Полученные данные свидетельствуют об ассоциации острой токсичности и микробиологического загрязнения, которое, как правило, связано с поступлением бытовых или фекальных сточных вод. Одновременно острая токсичность может быть обусловлена присутствием химических загрязнителей. Поэтому интегральный подход к оценке состояния сточных вод является необходимым и обязательным условием экологического мониторинга.

5. Заключение

Таким образом, токсикологические и микробиологические показатели состояния сточных вод являются взаимосвязанными параметрами, формирующимися под воздействием различных источников загрязнения. Взаимосвязь между санитарно-бактериологическими показателями и острой токсичностью сточных вод ассоциирована с сезонными периодами. Комплексное использование методов биотестирования и микробиологического анализа позволяет существенно повысить информативность экологического мониторинга сточных вод урбанизированной территории.

The additional file for this article can be found as follows: