Daphnia като тестови обекти в биотестирането - Използване на фрактален анализ на плуването
Като тестови обекти във водната токсикология широко се използват планктонни кладоцери (Cladocera), по-специално дафния (лат. Daphnia).
Това се дължи преди всичко на факта, че:
- родът Daphnia има много широко разпространение в сладките води и е ключово звено в много водни хранителни вериги;
- поради прозрачността на тялото на дафнията е възможно визуално да се наблюдава качеството на ембрионите, скоростта на тяхното съзряване, скоростта на възпроизвеждане, както и да се оцени физиологичното състояние (сърдечен ритъм, чревно пълнене и др.) на тестовия обект;
- възможно е редовно да се оценяват излюпените млади екземпляри по техните морфологични характеристики, както и по оцеляване от поколенията родител към дете;
- родът Daphnia има относително кратък жизнен цикъл, което е особено важно за тестовете за плодовитост;
- родът Daphnia се използва като един от най-чувствителните индикатори (сензори) за наличието на тежки метали и органофосфорни пестициди във водната среда [9].
Най-универсалният тест обект по отношение на чувствителността и адекватността на реакцията към различни токсиканти е Daphnia от вида Daphnia magna Straus [9].
Фиг.2.Daphnia magna Straus - външен вид
Този вид Daphnia е използван за първи път като тестов обект в работата на Е. Науман през 1933 г. Дафнията се използва широко в биотестове в страни като САЩ, Германия, Франция, Унгария и др. В много от тях дафнията се приема като стандартен тестов организъм. В СССР началото на такава работа се свързва с изследванията на Н.С. Строгонов и неговата школа Е.А. Веселова и Л.А. Лесников. Дафниите като задължителен обект за изследване са включени в схемата за установяване на ПДК на замърсители и отпадъчни води в България [10].
Daphnia magna Straus има сиво-жълт или червеникав цвят (с недостиг на кислород), не надвишава 2-3 mm дължина, живее в резервоари, езера, езера почти навсякъде.
При благоприятни условия в лабораторията дафнията се размножава през по-голямата част от годината без торене, т.е. партерогенетично, произвеждайки потомство, състоящо се от женски. Периодът на узряване на ракообразните при температура 20 ± 2 ° C и добро хранене е 5-8 дни. Продължителността на ембрионалното развитие обикновено е 3-4 дни. След това време младите се отделят. Партеногенетичните поколения следват едно след друго на всеки 3-4 дни [10].
За отглеждането на дафния се използва биологична вода от аквариума, зелените водорасли (хлорела) служат като храна. Културата се отглежда в специален климатостат при температура 20 ± 2 ° C и осветеност 400-600 lux с дневна светлина 12-14 часа.
При токсикологичните изследвания на дафнията се прави разлика между краткосрочни (до 96 часа) и дългосрочни (20 или повече дни) биотестове. Краткосрочното биотестиране е предназначено да получи експресна информация за състоянието на тествания резервоар, където основният показател е оцеляването на хидробионта. За по-задълбочено и по-задълбочено изследване се използва дългосрочно биотестиране. Позволява дългосрочен ефект от действието на токсиканти.
Повечето от методите за биоанализ, използващи дафнии, се основават на регистриране на тяхната смъртност под въздействието на замърсители. Но дори преди смъртта на тестовите обекти, токсикантите влияят върху промяната в тяхната поведенческа активност. Под въздействието на замърсители в дафнията се наблюдава или рязко увеличаване на двигателната активност, или обратно, забавяне. По този начин фиксирането на промените в плувната активност на Daphnia ви позволява да определите на ранен етапводна токсичност.
Проведени са и няколко проучвания, в които се приема, че траекторията на плуване на дафнията е фрактална структура и когато се въведе токсикант, фракталната размерност се променя. (Shimizu, 2001).
Фракталът е математическо множество, което има свойството на самоподобие, тоест хомогенност в различни измервателни скали. Самоподобието е много общо свойство на природните системи: басейните на големи реки, пространствената структура на колониите от микроорганизми и т.н. имат удивителна структурна гъвкавост. Често в тази връзка се говори за фракталността на природните обекти. Терминът "фрактал" и първите изследвания, които го използват, са извършени от Беноа Манделброт.
Фракталното измерение е мярка за геометричната сложност на даден обект. Следвайки идеята на Манделброт, фракталното измерение може да се определи чрез преброяване на квадрати. Представете си обект със сложна форма, който е изцяло покрит с квадрати, като милиметрова хартия. Някои от квадратите ще съдържат елементи от комплекта, други квадрати ще бъдат празни. Броят на непразните клетки N зависи от формата на обекта и от размерите на квадратната клетка E. Постулира се, че N е пропорционално на 1/ED (колкото по-малка е решетката, толкова повече са непразните клетки). Показателят D е размерът на обекта. Например, за такава плътна плоска фигура като кръг, намаляването на размера на решетката наполовина ще доведе до увеличаване на броя на непразните клетки с четири пъти (две на квадрат), тъй като фигурата има измерение две. За фрактал броят на непразните клетки ще се увеличи с малко по-малък, дробен показател. Описаната процедура не се ограничава до математически обекти или форми в равнината. По подобен начин може да се изчисли фракталното измерение на реални обекти,като реки, облаци, брегови линии, артерии или реснички, покриващи стените на червата. Човешките артерии, например, имат фрактална размерност от около 2,7 [13].
Фракталното измерение се изчислява по формулата на Katz и George (1985):
FD= log (N)/ [log (N) + log (D/L)],
където L е общата дължина на плувния път, D е диаметърът на описания път, N е броят на сегментите.
Пестицидът Esfenvalerate е използван като токсикант. Това е химично активно вещество на пестициди (пиретроид), използвани в селското стопанство и личните домакинства за борба с вредните насекоми.
Препаратите на основата на есфенвалерат проявяват силно увреждащо действие както при външен контакт, така и при навлизане на членестоноги вредители в храносмилателната система. Защитата на растенията се осъществява и с помощта на репелентно, парализиращо и противоподхранващо действие.
Лекарствата имат доста дълго последействие дори при пряка слънчева светлина. Защитното действие продължава около 15 дни.
При спазване на всички препоръки за употреба препаратите на базата на есфенвалерат са безопасни за медоносните пчели. Есфенвалератът има ниска токсичност за топлокръвни животни и хора. Силно токсичен за рибите.
Есфенвалератът е хидролитично стабилен. Когато се пусне в резервоар, той остава във вода до 10 дни, докато изпарението няма да играе специална роля в изчезването му. Лабораторните изследвания показват, че есфенвалератът е силно токсичен за водните организми [14].