Огромное количество химических веществ, используемых в сельском хозяйстве в виде пестицидов, гербицидов и удобрений, а также промышленные выбросы предприятий привели к значительному загрязнению окружающей среды. Учитывая, что ежегодно в мире разрабатываются и затем производятся десятки новых веществ, не свойственных живой природе, совершенно невозможно предугадать их токсическое воздействие на окружающий мир и человека. Поэтому особо остро встают вопросы комплексного изучения экологии окружающей среды.

Традиционно для эколого-токсикологической оценки территорий применяют химико-аналитические методы. Они дают как бы «моментальный снимок» картины загрязненности определенных объектов (вода, почва, донные отложения и т. д.) конкретными токсикантами. Однако они не могут отразить состояние экосистемы в целом, оценить весь спектр загрязнителей и их взаимодействие друг с другом (эффект «коктейля»). Кроме того, большими недостатками этих методов является их высокая трудоемкость, необходимость приобретения высокоточного, дорогостоящего аналитического оборудования. При этом выявление спектра загрязнителей компонентов окружающей среды зачастую не позволяет судить об их токсичности для теплокровных животных и человека. Для многих химических веществ не разработаны гигиенические нормативы (предельно-допустимые концентрации, пороговые дозы и т. п.), по которым можно оценить степень воздействия на человека. Для интегральной оценки воздействия поллютантов на агроценозы более применимы биологические методы с использованием специально выбранных животных-биотестов.

Биотестирование позволяет определить интегральную токсичность проб с анализируемых территорий, оценить эколого-токсикологическое состояние агроценозов и возможное влияние на человека.

Суть этого метода заключается в определении действия токсикантов на специально выбранные организмы в стандартных условиях с регистрацией различных поведенческих, физиологических или биохимических показателей. Биотестирование широко применяется для контроля качества природных и токсичности сточных вод, при проведении экологической экспертизы новых технологий очистки стоков, при обосновании нормативов предельно-допустимых концентраций загрязняющих компонентов.

Тест-животных обычно выбирают среди наиболее чувствительных к загрязняющим компонентам видов. Другое важное требование заключается в том, что воздействие токсиканта на животное должно вызывать ответную реакцию. Знание механизмов специфического токсического действия позволяет ослаблять или усиливать действие токсиканта с помощью специально подобранных фармакологических средств. Если последние обладают селективностью, то в ряде случаев становится возможным с помощью тест-объектов не только обнаружить токсический эффект, но и произвести групповую идентификацию токсиканта. Усиление действия с помощью фармакологических средств позволяет снизить порог обнаружения токсиканта, не прибегая к его концентрированию (прием, обычный при инструментальном физико-химическом анализе примесей).

По чувствительности и степени изученности среди других тест-объектов выделяют дафний (D. magna, D. рulex), несколько видов микроскопических одноклеточных зеленых водорослей из класса протококковых (сценедесмус Scenedesmus quadricauda, хлорелла Chlorella sp.) и пять-шесть видов рыб, как аквариумных (гуппи, данио-рерио), так и мелких аборигенных (голец, гольян). Каждый из этих объектов имеет свои преимущества и ограничения, и ни один из организмов не может служить универсальным «тестером», одинаково чувствительным ко всем загрязняющим веществам. С другой стороны, нецелесообразно бесконечно расширять круг биологических тест-объектов. Опыт токсикологического нормирования показывает, что при использовании этих видов биотестированием может быть охвачено более 80 % подлежащих контролю загрязняющих воду химикатов.

Для биотестирования почвенных образцов чаще всего применяют дождевых червей, олигохет (кольчатых червей) и различных насекомых. В Германии за период 1996–2001 гг. было апробировано более 20 биотестов с целью определения наиболее чувствительных и адекватных. В зависимости от того, какая функция почвы оценивается, используют тот или иной биотест. В этом списке биотестов дождевые черви выступают в качестве индикаторов функции почвы как естественной среды обитания. Такими тестами являются тест на острую токсичность (acute toxicity), репродуктивный тест (reproduction), тест на биомассу (biomass). Эти тесты прописаны в стандартах ИСО 11268–1, ИСО 11268–2, ИСО 11268–3 и EPA OPPTS 850.6200. Показано, что репродуктивный тест является более чувствительным, нежели тест на острую токсичность. По мнению экотоксикологов, репродуктивный тест является ведущим в списке рекомендуемых для оценки почвы.

Биотестирование проводят для определения интегральной токсичности почвы с целью проверки соответствия качества почвы нормативным требованиям. Исследуемая почва не должна оказывать острого и хронического токсического действия на тест-объекты.

Промышленные линии навозного червя используются для круглогодичной переработки органических отходов. Культуру дождевых червей выращивают в деревянных или пластмассовых ящиках, находящихся в теплом помещении, не содержащем токсических паров или газов. Оптимальная температура для культивирования дождевых червей и биотестирования – 18–24 °C, освещенность – 200–400 лк. Для выращивания дождевых червей используют смесь навоза крупного рогатого скота с растительными отходами.

Биотестирование проводят в деревянных или пластмассовых ящиках размером 30ґ30 см и высотой 15–20 см. Ящики должны иметь снизу дренажные отверстия для слива излишков воды. Тестируемую и контрольную почву помещают в ящики и увлажняют отстоянной водопроводной водой до влажности 75–85 %. В качестве контроля используют почву с территории заповедника или лесного массива, заведомо не содержащую токсичные вещества. Методика основана на определении выживаемости и поведенческих реакций дождевых червей при воздействии токсических веществ, содержащихся в тестируемой почве по сравнению с контролем.

Кратковременное биотестирование (screening test) – до двух суток – позволяет определить острое токсическое действие почвы на дождевых червей по их выживаемости и поведенческим реакциям. Показателем выживаемости служит среднее количество тест-объектов, выживших в тестируемой почве или в контроле за определенное время. Критерием токсичности является гибель 50 % (и более) дождевых червей за двое суток в тестируемой почве по сравнению с контролем. Показателем поведенческих реакций тест-объектов является скорость зарывания в субстрат. Критерием токсичности является отсутствие зарывания дождевых червей в тестируемую почву, активное ползание по поверхности земли и попытки к выползанию из ящика (avoidance test). Этот прием (тест на избегание) хорошо известен всем червоводам при выборе субстрата для культивирования червей. Достоинством скринингового теста являются высокая чувствительность, надежность, простота постановки, экономия времени и средств. Он достаточно сильно коррелирует с репродуктивным тестом.

Длительное биотестирование – до 30 суток – позволяет определить хроническое токсическое действие почвы на дождевых червей по снижению их выживаемости и плодовитости. Показателем выживаемости служит среднее количество тест-объектов, выживших в тестируемой почве в течение биотестирования. Показателем плодовитости – среднее количество молоди (включая и количество коконов, умноженное на два, т. е. число зародышей) в пересчете на одну особь выживших дождевых червей.

Однако не всегда реакция дождевых червей на загрязненную почву или субстрат может быть оценена по указанным выше критериям. Порой и опытные червоводы приходят в ужас при виде червей-уродцев (а может быть, мутантов?). Что явилось причиной появления таких червей, без специальных исследований сказать невозможно.

Большое значение метод биотестирования на дождевых червях приобретает при оценке результатов рекультивации (биоремедиации) территорий, загрязненных токсичными химическими веществами. Биотестирование позволяет достаточно быстро и эффективно оценить интегральную токсичность почвы до, во время и после биоремедиации, оценить эффективность технологии биоремедиации, а также показать, что продукты разложения поллютантов являются малотоксичными для окружающей среды. Это обеспечивает оперативный контроль за экологической безопасностью технологий, применяемых для биоремедиации.

Не менее важным аспектом использования дождевых червей в качестве биотестов мог бы стать выбор наименее токсичных пестицидов, от которых, к сожалению, современное сельское хозяйство пока не может отказаться. Однако на сегодня данный тест не внесен в список тестов, используемых при токсикологической оценке пестицидов. Согласитесь, это вопиющий факт, если вспомнить, что дождевые черви являются жертвами применения пестицидов. А чем это чревато для почвы и, в конечном итоге, для человека – не является секретом.