Экотоксичность городской пыли: существующие практики и перспективы применения биотестирования

Аннотация

Биотестирование является востребованным методом для оценки экотоксикологического состояния раз- личных компонентов городских экосистем — почвы, воды и воздушной среды. Однако мало известно о потенциале применения биотестирования для оценки экотоксичности городской пыли. Она представляет собой сложную гетерогенную субстанцию из веществ естественного и техногенного происхождения, многие из которых являются доказанными токсикантами по отношению к живым организмам. Цель данного обзора — рассмотрение существующих практик применения биотестирования для оценки экотоксичности городской пыли и выявление ключевых тенденций развития метода. Анализ существующих публикаций показал, что методы биотестирования имеют высокий потенциал, так как они чувствительны к широкому спектру поллютантов, присутствующих в пыли, способны дифференцированно отражать поведение токсикантов в зависимости от факторов среды и могут быть реализованы с использованием организмов разных трофических уровней. При выборе конкретного способа биотестирования важно учитывать такие характеристики анализируемых образцов пыли, как доступная масса, смачиваемость, рH, содержание водорастворимых ионов и органического вещества. Учитывая сложность состава пыли и различный потенциал перехода ее компонентов в водные экстракты, рекомендуется использовать аппликатные способы биотестирования, реализуемые непосредственно на твердых пылевых субстратах. Для всесторонней оценки воздействия пыли на городскую экосистему целесообразно проводить биотестирование с использовани- ем набора организмов разных трофических уровней. Представляется своевременной задачей разработка стандартов по биотестированию пыли с целью унификации получаемых результатов. Одним из наиболее важных вопросов, требующих первоочередного решения, является вопрос выбора контроля.

Литература

1. Бакунович Н.О., Хохлова О.С., Мякшина Т.Н. и др. Загрязнение тяжелыми металлами и дыхательная активность микроорганизмов в нативных почвах и искусственных субстратах (на примере заповедного участка «Ямская степь») // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2016. № 85.

2. Терехова В.А., Гершкович Д.М., Гладкова М.М. и др. Биотестирование в экологическом контроле. М., 2017.

3. Васенёв И.И., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В. Влияние поллютантов (тяжелые металлы, дизельное топливо) на дыхательную активность конструктоземов // Экология. 2013. № 6.

4. Волкова В.Д., Колодкин Н.В. Особенности распределения микромицетов по фракциям придорожной пыли // Материалы Международной научной конференции XXV Докучаевские молодежные чтения «Почва — жизнь». 2022.

5. Власов Д.В., Касимов Н.С., Кошелева Н.Е. Геохимия дорожной пыли (Восточный округ Москвы) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2014. № 3.

6. ГОСТ 32293-2013. Межгосударственный стандарт. Методы испытаний химической продукции, представляющей опасность для окружающей среды. Испытание водорослей и цианобактерий на задержку роста. https://docs.cntd.ru/document/1200107854 (дата обращения: 03.06.2022).

7. ГОСТ 32367-2020. Межгосударственный стандарт. Методы испытаний химической продукции, представляющей опасность для окружающей среды. Угнетение репродуктивной способности Дафния магна. https://docs.cntd.ru/document/566393975 (дата обращения: 03.06.2022).

8. ГОСТ 32536-2020. Межгосударственный стандарт. Методы испытаний химической продукции, представляющей опасность для окружающей среды. Определение острой токсичности для дафний. https://docs.cntd.ru/document/566323133 (дата обращения: 03.06.2022).

9. Марфенина О.Е. Антропогенная экология почвенных грибов. М., 2005.

10. Николаева О.В., Терехова В.А. Совершенствование лабораторного фитотестирования для экотоксикологической оценки почв // Почвоведение. 2017. № 9. https://doi.org/10.7868/S0032180X17090052

11. Павлюкова Е.Б., Белозерский М.А., Дунаевский Я.Е. Внеклеточные протеолитические ферменты мицелиальных грибов // Биохимия. 1998. Т. 63, № 8.

12. Прокофьева Т.В., Шишков В.А., Кирюшин А.В. и др. Свойства твердых (пылеаэрозольных) атмосферных выпадений придорожных территорий г. Москвы // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2015. № 3.

13. Пукальчик М.А., Терехова В.А., Карпухин М.М. и др. Сравнение элюатных и контактных методов биотестирования при оценке почв, загрязненных тяжелыми металл(оид)ами // Почвоведение. 2019. № 4.

14. РД 118-02-90. Методическое руководство по биотестированию воды. Утв. постановлением Госкомприроды СССР от 06.08.1990 г. № 37.

15. Ревазова Ю.А., Донерьян Л.Г., Данилов В.С. и др. Определение токсичности почв с помощью биотеста «Эколюм». МР 01.019-07. М., 2007.

16. Терехова В.А. Значение микологических исследований для контроля качества почв // Почвоведение. 2007. № 5.

17. Терехова В.А. Биотестирование экотоксичности почв при химическом загрязнении: современные подходы к интеграции для оценки экологического состояния (обзор) // Почвоведение. 2022. № 5.

18. Тимофеев М.А., Терехова В.А., Кожевин П.А. Биотестирование почв при загрязнении кадмием // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2010. № 4.

19. Федосеева Е.В., Григорьева И.Ю., Николаева О.В. и др. Особенности альготестирования проб, содержащих растворенное органическое вещество // Вопросы современной альгологии (Issues of Modern Algology). 2020. № 2.

20. Al-Hunaiti A., Arar S., Täubel M. et al. Floor dust bacteria and fungi and their coexistence with PAHs in Jordanian indoor environments // Science of The Total Environment. 2017. Vol. 601–602. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2017.05.211

21. Ashun E., Toor U.A., Kim H.S. et al. A direct contact bioassay using sulfur-oxidizing bacteria (SOB) for toxicity assessment of contaminated field soils // Chemosphere. 2022. Vol. 286. Art. 131599. https://doi.org/10.1016/J.CHEMOSPHERE.2021.131599

22. Bhattacharya S.S., Syed K., Shann J. et al. A novel P450-initiated biphasic process for sustainable biodegradation of benzo[a]pyrene in soil under nutrient-sufficient conditions by the white rot fungus Phanerochaete chrysosporium // Journal of Hazardous Materials. 2013. Vol. 261. https://doi.org/10.1016/J.JHAZMAT.2013.07.055

23. van Bohemen H.D., van de Laak W.H.J. The influence of road infrastructure and traffic on soil, water, and air quality // Environmental Management. 2003. Vol. 31. https://doi.org/10.1007/s00267-002-2802-8

24. Bondarenko L., Terekhova V., Kahru A. et al. Erratum: Sample preparation considerations for surface and crystalline properties and ecotoxicity of bare and silica-coated magnetite nanoparticles // RSC Adv. 2021. Vol. 51. https://doi.org/10.1039/D1RA05703K

25. Bondareva L., Kudryasheva N. Direct and indirect detoxification effects of humic substances // Agronomy. 2021. Vol. 11, № 2. https://doi.org/10.3390/agronomy11020198

26. Burton S.A., Petersen R.V., Dickman S.N. et al. Comparison of in vitro bacterial bioluminescence and tissue culture bioassays and in vivo tests for evaluating acute toxicity of biomaterials // Journal of Biomedical Materials Research. 1986. Vol. 20. https://doi.org/10.1002/jbm.820200613

27. Chinese Environmental Protection Agency (CEPA) GB/T15441-1995, Water Quality Determination of the Acute Toxicity Luminescent Bacteria Test. 1995.

28. Chung N.T., Ra J.S., Park K. et al. Toxicity of artificial runoff fostered with dry deposition particulates from industrial, commercial, and highway area in Gwangju, Korea // Water Science and Technology. 2009. Vol. 59. https://doi.org/10.2166/wst.2009.258

29. Couture P., Visser S.A., van Coillie R. et al. Algal bioassays: their significance in monitoring water quality with respect to nutrients and toxicants // Swiss Journal of Hydrology. 1985. Vol. 47. https://doi.org/10.1007/BF02551938

30. Eijsackers H., van Gestel C.A.M., de Jonge S. et al. Polycyclic aromatic hydrocarbon-polluted dredged peat sediments and earthworms: A mutual interference // Ecotoxicology. 2001. Vol. 10. https://doi.org/10.1023/A:1008954706150

31. Ernesto Juniors P.T., Valeria C.L., Santiago P.O. et al. Tolerance to oxidative stress caused by copper (Cu) in Trichoderma asperellum To // Biocatalysis and Agricultural Biotechnology. 2020. Vol. 29. Art. 101783. https://doi.org/10.1016/J.BCAB.2020.101783

32. Fedoseeva E.V., Patsaeva S.V., Khundzhua D.A. et al. Effect of exogenic humic substances on various growth endpoints of Alternaria alternata and Trichoderma harzianum in the experimental conditions // Waste and Biomass Valorization. 2021. Vol. 12. https://doi.org/10.1007/s12649-020-00974-x

33. van der Grinten E., Pikkemaat M.G., van den Brandhof E.J. et al. Kraak MHS Comparing the sensitivity of algal, cyanobacterial and bacterial bioassays to different groups of antibiotics // Chemosphere. 2010. Vol. 80. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2010.04.011

34. Hagner M., Romantschuk M., Penttinen O.P. et al. Assessing toxicity of metal contaminated soil from glassworks sites with a battery of biotests // Science of The Total Environment. 2018. Vol. 613–614. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.08.121

35. Hawksworth D.L. The magnitude of fungal diversity: the 1,5 million species estimate revisited // Mycological Research. 2001. Vol. 105. https://doi.org/10.1017/S0953756201004725

36. Holzinger A., Mair M.M., Lücker D. et al. Comparison of fitness effects in the earthworm Eisenia fetida after exposure to single or multiple anthropogenic pollutants // Sci Total Environ. 2022 Sep 10;838(Pt 3):156387. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.156387. Epub 2022 Jun 2. PMID: 35660620.

37. ISO 11269-2:2012 Soil quality — Determination of the effects of pollutants on soil flora — Part 2: Effects of contaminated soil on the emergence and early growth of higher plants.

38. ISO 14371:2012 Water quality — Determination of fresh water sediment toxicity to Heterocypris incongruens (Crustacea, Ostracoda). https://www.iso.org/standard/54612.html

39. Johnson B.T. Microtox® acute toxicity test // Small-scale freshwater toxicity investigations. Dordrecht, 2005. Vol. 1: Toxicity Test Methods. https://doi.org/10.1007/1-4020-3120-3_2

40. Kasimov N.S., Kosheleva N.E., Vlasov D.V. et al. Physicochemical properties of road dust in Moscow // Geography, Environment, Sustainability. 2019. Vol. 12. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2019-55

41. Khalaf N.F., Al-Obaidi M.J., Mohammed S.W. et al. Indoor house dust-borne fungi and risk of allergic respiratory diseases in Baghdad city // Revue Française d’Allergologie. 2021. Vol. 62, № 4. https://doi.org/10.1016/J.REVAL.2021.05.002

42. Khanal R., Furumai H., Nakajima F. Toxicity assessment of size-fractionated urban road dust using ostracod Heterocypris incongruens direct contact test // Journal of Hazardous Materials. 2014. Vol. 264. https://doi.org/10.1016/J.JHAZMAT.2013.10.058

43. Khanal R., Furumai H., Nakajima F. Characterization of toxicants in urban road dust by Toxicity Identification Evaluation using ostracod Heterocypris incongruens direct contact test // Science of The Total Environment. 2015. Vol. 530–531. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2015.05.090

44. Korneykova M.V., Lebedeva E.V. Opportunistic fungi in the polluted soils of kola peninsula // Geography, Environment, Sustainability. 2018. Vol. 11. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2018-11-2-125-137

45. Kudryasheva N.S., Kovel E.S. Monitoring of low-intensity exposures via luminescent bioassays of different complexity: cells, enzyme reactions, and fluorescent proteins // Intern. J. Mol. Sci. 2019. Vol. 20, № 18. https://doi.org/10.3390/ijms20184451

46. Leitgib L., Kálmán J., Gruiz K. Comparison of bioassays by testing whole soil and their water extract from contaminated sites // Chemosphere. 2007. Vol. 66. https://doi.org/10.1016/J.CHEMOSPHERE.2006.06.024

47. Liaquat F., Haroon U., Munis M.F.H. et al. Efficient recovery of metal tolerant fungi from the soil of industrial area and determination of their biosorption capacity // Environmental Technology & Innovation. 2021. Vol. 21. Art. 101237. https://doi.org/10.1016/J.ETI.2020.101237

48. Liu Z., Zhu Z., Zhu Y. et al. Investigation of dust loading and culturable microorganisms of HVAC systems in 24 office buildings in Beijing // Energy and Buildings. 2015. Vol. 103. https://doi.org/10.1016/J.ENBUILD.2015.06.056

49. Lobo H., Espindola E.L.G. Branchiura sowerbyi Beddard, 1892 (Oligochaeta: Naididae) as a test species in ecotoxicology bioassays: a review // Zoosymposia. 2014. Vol. 9. https://doi.org/10.11646/zoosymposia.9.1.11

50. Maigari A.U., Maigari M.U. Microbial metabolismof polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs): A review // International Journal of Scientific & Engineering Research. 2015. Vol. 6, № 4.

51. Martinez-Madrid M., Rodriguez P., Perez-Iglesias J.I. et al. Sediment toxicity bioassays for assessment of contaminated sites in the Nervion River (Northern Spain). 2. Tubifex tubifex reproduction sediment bioassay // Ecotoxicology. 1999. Vol. 8. https://doi.org/10.1023/A:1008966702822

52. Nikolaeva O., Kuznetsova T., Karpukhin M. et al. Elemental composition of sediments on exterior window surfaces along vertical gradient in Moscow // Science of The Total Environment. 2022. Vol. 825. Art. 153999. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2022.153999

53. Nikolaeva O., Tikhonov V., Vecherskii M. et al. Ecotoxicological effects of traffic-related pollutants in roadside soils of Moscow // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2019. Vol. 172. https://doi.org/10.1016/J.ECOENV.2019.01.068

54. Niyommaneerat W., Nakajima F., Tobino T., Yamamoto K. Development of a chronic sediment toxicity test using the benthic ostracod Heterocypris incongruens and their application to toxicity assessments of urban road dust // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2017. Vol. 143. https://doi.org/10.1016/J.ECOENV.2017.05.011

55. Njoku K.L., Asunmo M.O., Ude E.O. et al. The molecular study of microbial and functional diversity of resistant microbes in heavy metal contaminated soil // Environmental Technology and Innovation. 2020. Vol. 17. Art. 100606. https://doi.org/10.1016/J.ETI.2020.100606

56. Nyholm N., Källqvist T. Methods for growth inhibition toxicity tests with freshwater algae // Environmental Toxicology and Chemistry. 1989. Vol. 8 https://doi.org/10.1002/etc.5620080807

57. OECD Guideline for Testing of Chemicals. № 207: Earthworm, Acute Toxicity Tests. 1984. https://doi.org/10.1787/9789264070042-en

58. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals. № 201: Freshwater Alga and Cyanobacteria, Growth Inhibition Test. 2011. https://doi.org/10.1787/9789264069923-en

59. OECD Guideline for the Testing of Chemicals. № 220: Enchytraeid Reproduction Test. 2016. https://doi.org/10.1787/9789264264472-en

60. OECD Guideline for the Testing of Chemicals. № 222: Earthworm Reproduction Test (Eisenia fetida / Eisenia andrei). 2016. https://doi.org/10.1787/9789264264496-en

61. OECD Guidelines for Testing Chemicals. № 232: Collembolan Reproduction Test in Soil. 2016. https://doi.org/10.1787/9789264264601-en

62. Owojori O.J., Reinecke A.J., Voua-Otomo P. et al. Comparative study of the effects of salinity on life-cycle parameters of four soil-dwelling species (Folsomia candida, Enchytraeus doerjesi, Eisenia fetida and Aporrectodea caliginosa) // Pedobiologia (Jena). 2009. Vol. 52. https://doi.org/10.1016/J.PEDOBI.2008.12.002

63. Pochron S.T., Fiorenza A., Sperl C. et al. The response of earthworms (Eisenia fetida) and soil microbes to the crumb rubber material used in artificial turf fields // Chemosphere. 2017. Vol. 173. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.01.091

64. Polo A., Cappitelli F., Villa F. et al. Biological invasion in the indoor environment: the spread of Eurotium halophilicum on library materials // International Biodeterioration & Biodegradation. 2017. Vol. 118. https://doi.org/10.1016/J.IBIOD.2016.12.010

65. Pozdnyakova N.N. Involvement of the ligninolytic system of white-rot and litter-decomposing fungi in the degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons // Biotechnology Research International. 2012. Vol. 2012. Art. 243217. https://doi.org/10.1155/2012/243217

66. Prokof’eva T.V., Kiryushin A.V., Shishkov V.A. et al. The importance of dust material in urban soil formation: the experience on study of two young Technosols on dust depositions // Journal of Soils and Sediments. 2017. Vol. 17. https://doi.org/10.1007/s11368-016-1546-7

67. Prudnikova E. V., Neaman A., Terekhova V.A. et al. Root elongation method for the quality assessment of metal-polluted soils: Whole soil or soil-water extract? // Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2020. Vol. 20. https://doi.org/10.1007/s42729-020-00295-x

68. Ramadass K., Megharaj M., Venkateswarlu K. et al. Ecological implications of motor oil pollution: Earthworm survival and soil health // Soil Biology and Biochemistry. 2015. Vol. 85. https://doi.org/10.1016/J.SOILBIO.2015.02.026

69. Redondo-Hasselerharm P.E., de Ruijter V.N., Mintenig S.M. et al. Ingestion and chronic effects of car tire tread particles on freshwater benthic macroinvertebrates // Environmental Science and Technology. 2018. Vol. 52. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b05035

70. Rogula-Kozłowska W., Rybak J., Wróbel M. et al. Site environment type – The main factor of urban road dust toxicity? // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021. Vol. 218. Art. 112290. https://doi.org/10.1016/J.ECOENV.2021.112290

71. Romano S., Perrone M.R., Becagli S. et al. Ecotoxicity, genotoxicity, and oxidative potential tests of atmospheric PM10 particles // Atmospheric Environment. 2020. Vol. 221. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2019.117085

72. Somtrakoon K., Chouychai W. Phytotoxicity of single and combined polycyclic aromatic hydrocarbons toward economic crops // Russian Journal of Plant Physiology. 2013. Vol. 60. https://doi.org/10.1134/S1021443712060155

73. Spilak M.P., Madsen A.M., Knudsen S.M. et al. Impact of dwelling characteristics on concentrations of bacteria, fungi, endotoxin and total inflammatory potential in settled dust // Building and Environment. 2015. Vol. 93. https://doi.org/10.1016/J.BUILDENV.2015.03.031

74. Suvetha M., Charles P.E., Vinothkannan A. et al. Are we at risk because of road dust? An ecological and health risk assessment of heavy metals in a rapid growing city in South India // Environmental Advances. 2022. Vol. 7. Art. 100165. https://doi.org/10.1016/J.ENVADV.2022.100165

75. Tarasova A.S., Stom D.I., Kudryasheva N.S. Effect of humic substances on toxicity of inorganic oxidizer bioluminescent monitoring // Environmental Toxicology and Chemistry. 2011. Vol. 30. https://doi.org/10.1002/etc.472

76. Vlasov D., Kosheleva N., Kasimov N. Spatial distribution and sources of potentially toxic elements in road dust and its PM10 fraction of Moscow megacity // Science of The Total Environment. 2021. Vol. 761. Art. 143267. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2020.143267

77. Volta A., Sforzini S., Camurati C. et al. Ecotoxicological effects of atmospheric particulate produced by braking systems on aquatic and edaphic organisms // Environment International. 2020. Vol. 137. https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.105564

78. Wang C., Wang F., Zhang Q. et al. Individual and combined effects of tebuconazole and carbendazim on soil microbial activity // European Journal of Soil Biology. 2016. Vol. 72. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2015.12.005

79. Wang J., Yu J., Gong Y. et al. Pollution characteristics, sources and health risk of metals in urban dust from different functional areas in Nanjing, China // Environmental Research. 2021. Vol. 201. Art. 111607. https://doi.org/10.1016/J.ENVRES.2021.111607

80. Wang W., Freemark K. The use of plants for environmental monitoring and assessment // Ecotoxicology and Environmental Safety. 1995. Vol. 30. https://doi.org/10.1006/eesa.1995.1033

81. Wang W.H., Wong M.H., Leharne S. et al. Fractionation and biotoxicity of heavy metals in urban dusts collected from Hong Kong and London // Environmental Geochemistry and Health. 1998. Vol. 20. https://doi.org/10.1023/A:1006530300522