Романенко Основы гидроэкологии. Р69 Основы гидроэкологии Учебн для студентов высших учебных заведений. К генеза, 2004. 664 с 1
 Скачать 7.62 Mb.
|
|
Основные токсикометрические единицы Обозначения единицы измерения латинское 1 украинское 2 Полное название 3 Минимальная смертельная (летальная) концентрация Медианная смертельная (летальная) концентрация Максимальная смертельная (летальная) концентрация Содержание 4 Концентрация, при которой начинается отмирание организмов Концентрация, при которой погибает % подопытных Концентрация, при которой погибает % подопытных гидробионтов Основы гидроэкологии Продолжение таблицы Т 24(48,96...) 24(48,96..) 24 (48, 96 .) 2 ) 24(48,96...) ТС 24(48,96. ) 3 | Время начала отмирания подопытных гидробионтов Время, в течение которого погибает % подопытных гидробионтов Время 100 % -ной гибели подопытных гидробионтов Объединенный индекс, характеризует минимальную смертельную концентрацию и количество гидробионтов, которые отмирают в течение 24, 48 ч и более Объединенный индекс, одновременно характеризует медианную смертельную концентрацию, 50 % -ную смертность гидробионтов и время (24, 48, 96 ч и т. д, в течение которого происходит их гибель Объединенный индекс, характеризует абсолютную смертельную концентрацию токсиканта и время, за которое происходит %-ная гибель гидробионтов При количественной оценке действия токсических веществ учитываются их химические свойства, концентрация вводной среде, дозовая нагрузка на организм и его индивидуальная чувствительность к таким воздействиям. Под концентрацией ток- сиканта понимают массу вещества, растворенного в определенном объеме воды обычно ее выражают в миллиграммах на дециметр кубический, а при очень низких значениях — в микрограм- мах (мкг) на дециметр кубический Доза — это масса токсиканта, приходящаяся на единицу массы животного или растительного организма (выражается в миллиграммах или микрограммах на грамм или в граммах на килограмм. Поэтому токсичность любого вещества неразрывно связана с индивидуальной биомассой организма, на который она действует. Концентрация, нетоксичная для крупного организма, может быть смертельной для мелких. Биомасса популяций крупных по размерам водных животных может быть намного больше биомассы мелких. Соответственно одна и та же концентрация токсиканта имеет разное значение, скажем, для популяции рыб и планктонных рачков, которыми они питаются. Однако в естественных условиях установить фактическую дозовую нагрузку на определенную популяцию гидробионтов практически невозможно, поскольку в группе животных могут быть особи с разной биомассой и разной чувствительностью к ядовитым веществам. Поэтому обычно приводятся данные, касающи- 410 Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы еся концентрации токсических веществ вводе, так как методика перерасчета на дозы для водных животных не разработана. Именно концентрация токсикантов учитывается при разработке экологических и водоохранных нормативов, регламентирующих сброс сточных води других загрязняющих веществ вводные объекты. Для установления летальных концентраций токсикантов проводятся специальные опыты, в которых используют не менее экз. подопытных животных (рыб или беспозвоночных) одинакового размера и массы, иногда также одного возраста и пола. Для токсикологических опытов с мелкими животными обычно отбирают потомков одной самки. Подопытных животных выдерживают при разных разведени- ях исследуемых веществ (1:2, 1:5, 1:10, 1:20, 1:50, 1:100 и т. д.). Смертность (и соответственно, обратный показатель — выживаемость) выражается в процентах от контрольного количества, то есть от численности таких же организмов, находящихся в чистой воде без токсиканта. Продолжительность этих острых токсикологических опытов составляет, как правило, 24 или 48 ч. На их основании можно определить медианные смертельные концентрации. Опыты, которые длятся 72 и 96 ч, считаются подострыми, а еще продолжительнее - хроническими. Результаты опытов обрабатывают статистически по специальным формулами графикам. Вводной токсикологии наиболее часто используют простой графический метод Дудорова [42]. Классификация токсических веществ обычно представляется по величине или устанавливаемой преимущественно на рыбах. Если равняется 1 мг/дм 8 , вещество считается высокотоксичным, при 1-10 мг/дм 3 - сильнотоксичным, при 10-100 - умеренно токсичным, при концентрациях выше 100 мг/дм 3 — слаботоксичным. Очень слаботоксичные вещества характеризуются значениями свыше 1000 мг/дм 3 Токсичность вещества количественно определяется как величина, обратная медианной смертельной концентрации, то есть Т = = Однако такой подход может быть применен только для растворов некоторых чистых веществ при действии на отдельные виды гидробионтов в условиях лабораторного эксперимента. Он применяется для предварительной оценки токсичности разных веществ, в частности новых продуктов органического синтеза. При исследовании токсичности сложных многокомпонентных растворов, сточных и загрязненных природных вод определить концентрацию действующих веществ, вызывающую смертельный эффект, практически невозможно. В таких случаях целесообразно использовать разведение исследуемой воды, при котором наблюдается 50 % -ная или минимальная смертность подопытных организмов. Такой показатель, в котором не учитываются ни хи Основы гидроэкологии мическая природа действующих веществ, ни их концентрация, а только биологическое действие, называется интегральной ток- сичностью. Для разнообразных представителей животного населения водоемов величины смертельных концентраций токсикантов могут существенно различаться. Поэтому выбраны стандартные объекты, на которых обычно проводятся опыты по определению токсичности воды. Это чаще всего ветвистоусые рачки — Daphnia и Ceriodaphnia affinis, обладающие довольно высокой чувствительностью к токсикантам. В международной практике для контроля токсичности различных импортируемых веществ используются три тест-объекта: зеленая (хлорококковая) водоросль (Selenastrum дафния (Daphnia magna) и рыба гуппи (Учитывая необходимость проведения экспериментов в реально принятые сроки, опыты обычно проводят на беспозвоночных с коротким жизненным циклом (ветвистоусые рачки, коловрат- ки), у которых смена поколений цроисходит через 5-20 суток. Вводной токсикологии они играют туже роль, что и белые мыши, крысы или морские свинки в медицинской и ветеринарной токсикологии Факторы, влияющие на токсичность химических веществ для гидробионтов Кроме концентрации токсикантов и продолжительности их воздействия на гидробионтов конечный результат интоксикации (гибель, нарушение жизненно важных функций, который достигается за определенный период времени, зависит от совместного действия токсических веществ и естественных физико-химичес- ких факторов водной среды, среди которых наибольшее значение имеют насыщение кислородом, рН, содержание углекислоты, общее содержание органических веществ вводе, жесткость воды, соленость, температура и освещенность. Последняя имеет особенно важное значение для водорослей и высших водных растений. На фоне кислородного дефицита интоксикация развивается особенно остро. Наиболее ярко это проявляется у аэробных гидробионтов, тогда как донные животные, хорошо приспособленные к анаэробным условиям, более токсикорезистентны. При неблагоприятных условиях, в том числе и токсичности среды, такие организмы переходят с тканевого дыхания на гликолиз, уменьшающий их зависимость от содержания кислорода вводной среде. Увеличение температуры воды повышает, а при значительном возрастании (свыше 25—30 С, наоборот, угнетает ферментативную активность, связанную с обеспечением биоэнергетических Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы процессов в организме гидробионтов. При температуре ниже токсичность проявляется значительно слабее, чем, например, при СВ зимний период, когда гидробионты находятся в состоянии анабиоза, токсическое действие химических веществ значительно менее выражено. Наоборот, при повышении температуры воды за пределы оптимальных значений проявления токсичности химических веществ резко усиливаются. Этим объясняется тот факт, что при сбрасывании в водоемы подогретых вод тепловых и атомных электростанций даже небольшие концентрации токсических веществ становятся остро токсичными для многих гидро- бионтов. При кумулятивном токсикозе рыб летальные случаи наблюдаются в условиях резкого перепада температуры воды. Вообще, резкие изменения экологических факторов среды способствуют усилению интоксикации. Соленость воды также существенным образом влияет на уровень токсичности, вследствие чего параметры токсичности для морских и пресноводных гидробионтов заметно различаются. Токсичность тяжелых металлов для водных растений (ряска, эло- дея) в высокой степени зависит от уровня освещенности. Методы оценки и контроля токсичности водной среды для гидробионтов При оценке химического загрязнения водной среды широко применяют различные химико-аналитические методики (спектрофотометрию, бумажную и газовую хроматографию, масс-спект- рометрию и многие другие. Все эти методы, хотя и позволяют устанавливать фактическое значение концентраций самых разнообразных веществ, ноне дают ответа на вопрос о токсичности загрязненной воды и степени ее опасности для гидробионтов. Химические методы анализа токсикантов довольно сложные и дорогостоящие. В связи с этим для регулярного контроля вод рек, озер, водохранилищ, морей и других водных объектов они редко применяются. Начиная с х гг. XX в. в США и во многих европейских странах для контроля загрязнений начали внедрять биологические методы, в основу которых положена реакция гидробионтов на загрязнение воды. Такие методы получили название биотести- рование. — это процедура установления токсичности отдельных химических веществ, поверхностных пресных, морских и солоноватых, подземных и сточных вод для гидробионтов, базирующаяся на количественной оценке изменения жизненно Основы гидроэкологии важных функций или выявлении смертельного (летального) действия на гидробионтов (тест-объекты или тест-культуры). По технологии это эксперимент, который проводится с соблюдением определенных методических требований. Опыты по определению токсичности называют биотестами (английский эквивалент, или Прежде всего, тест-объекты (тест-организмы) должны иметь высокую чувствительность к токсическим веществам. Если используются лабораторные маточные культуры, их необходимо содержать с соблюдением жестких требований, касающихся химического состава искусственной среды, кормления тест-организ- мов, поддержания оптимального газового режима и рН, а также предотвращать засорение тест-культуры другими организмами, превращающими чистую культуру в своеобразный биоценоз. Эксперимент включает серию повторностей с разными разве- дениями (концентрациями) исследуемого вещества, а контролем служат эти же тест-организмы в чистой (лабораторной) воде или в среде для культивирования гидробирнтов. Биотесты проводятся в лабораторных условиях, а также непосредственно вводных объектах (in situ), причем в местах сброса сточных вод применяют несколько упрощенные варианты. Среди тест-объектов биотестирования различают индикаторные виды, имеющие универсальное значение для любых токсикологических исследований, и виды, специфичные для определенных акваторий или водных объектов, например рачок эпишура (Epischura bajcalensis), живущий лишь в Байкале. С целью отбора наиболее чувствительных и показательных тест-объектов к разным токсическим загрязняющим веществам исследователями многих стран проведена оценка свыше 1,5 тыс. видов пресноводных и морских гидробионтов, среди которых были водоросли, бактерии, беспозвоночные и рыбы. Однако основной массив информации получен при использовании в качестве тест-объектов ветвистоусых рачков, главным образом дафний, которых легко культивировать в лабораторных условиях. Созданы также наборы тест-организмов, в состав которых входят не только гидробионты, но и наземные растения, например лук (Allium сера) и семена салата (Lactuca sativa), реагирующие на токсичность воды снижением скорости роста и цитогенетичес- кими нарушениями входе клеточного деления, изменениями клеточных ядрышек и т. д. В Бельгии профессор Г. Персоон разработал наборы из нескольких тест-объектов, находящихся в состоянии анабиоза. Применяется простая переносная аппаратура для биотестирования, которая выпускается серийно Водоросли хранятся в виде сухих спор, коловратки и дафнии — в виде неактивных яиц Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы оживающих в условиях оптимального температурного режима и освещения. Такие наборы используют вострых- часовых опытах - преимущественно для установления На протяжении х гг. этим методом во многих странах Европы проведено сотни исследований токсичности различных веществ. Тест-функции, регистрируемые в разных вариантах биотести- рования, достаточно разнообразны. Так, у водорослей - это интенсивность фотосинтеза или соотношение фотосинтеза и деструкции содержание хлорофилла, других пигментов, изменения морфологической структуры клеток. У макрофитов, кроме вышеназванных — изменение тургора и окраски листвы, скорость движения протоплазмы (в клетках элодеи); у инфузорий — интенсивность (скорость) движения, соотношение размеров макро- и микронуклеусов, частота биения ресничек и многие другие микроскопические показатели. У ветвистоусых ракообразных регистрируется частота колебательных движений антенн, ритм сердечных сокращений, выброс (абортирование) яиц и эмбрионов, вращательные движения вокруг оси тела. Некоторые методы биотестирования токсических загрязнений базируются на использовании реакции избегания зоны загрязнения (рыбы, водные насекомые) или реакции закрывания раковину двухстворчатых моллюсков Anodonta, Для определения реакций животных тест-объектов создана специальная аппаратура, которая позволяет регистрировать изменения в поведении беспозвоночных и рыб. С этой целью применяются телекамеры, насадки к микроскопам, автоматически регистрирующие изменения в поведении тест-объектов. С помощью микроэлектродов снимают показатели биоэлектрической активности сердца дафний и рыб. Биотестирование положено в основу разработки систем аварийной сигнализации поступления токсических веществ в водоем. Так, нар. Рейн (Германия) функционируют станции автоматического контроля и регистрации поступления загрязняющих веществ вводу. Их действие основано на использовании способности рыб противодействовать потоку воды несколько небольших рыб помещают в закрытую проточную лоточную систему, имеющую назад- ней стенке чувствительные элементы — сенсоры. Сигнал от прикосновения к ним автоматически передается и регистрируется. При поступлении в такую систему загрязненной воды рыбы теряют способность противодействовать потоку и прибиваются к задней стенке. Сигналы от нее подаются к самописцами на диспетчерский пункт, регистрирующий выбросы загрязнений. Более глубокое изучение токсичности химических веществ и загрязненных вод базируется на хронических биотестах, которые проводятся на нескольких поколениях тест-объектов (преимуще- 415 Основы гидроэкологии ственно ветвистоусых ракообразных. Главным критерием токсичности в хронических опытах является снижение плодовитости гидробионтов, которое отчетливо регистрируется в третьем- четвертом поколениях и достигает максимума в пятом. Снижение плодовитости обусловливается значительными изменениями в эмбриогенезе, нарушениями структуры хромосом и других элементов половых клеток. Однако при значительно более продолжительных опытах (до 15 поколений) плодовитость дафний в последних поколениях часто не только восстанавливалась, но становилась даже большей по сравнению с исходной. Это дает основание говорить об адаптации рачков к относительно невысоким концентрациям токсикантов и о возможности воспроизводства популяций, находящихся в условиях постоянного незначительного загрязнения среды. При биотестировании мутных вод, богатых взвешенными частицами, последние необходимо предварительно осаждать или отфильтровывать. В таких случаях параллельно контролируется отстоянная (отфильтрованная) и мутная вода. Между суммарной концентрацией токсичных веществ и данными биотестирования воды не всегда существует прямая зависимость. Эффект действия одного сильно ядовитого токсиканта может быть большим, чем нескольких, но менее токсичных. При образовании комплексных соединений металлов с органическими и другими веществами токсичность уменьшается. К тому же между разными веществами возникают сложные взаимодействия, в результате которых они могут взаимно усиливать (синергизм или, наоборот, ослаблять (антагонизм токсичность друг друга. Поэтому результаты биотестирования загрязненных вод нужно рассматривать как интегральную оценку жизненной среды гидробионтов, ее возможного отрицательного влияния на основные их функции. Биотесты на представителях отдельных видов и на культурах гидробионтов дают определенную информацию о токсичности конкретных веществ и загрязненных вод. Однако они проводятся на выборочных тест-объектах и с экологической точки зрения оказываются недостаточными, поскольку в естественных водоемах протекают более сложные процессы, связанные с многоком- понентностью биоты и связями, возникающими в токсической среде. К тому же гидробионты, помещенные в искусственные емкости, физиологически отличаются от обитающих в природных условиях. Например водоросль Microcystis aeruginosa в культуре развивается только в виде отдельных клеток, очень чувствительных к токсикантам, а в природе образует большие колонии, покрытые слоем слизи, защищающим клетки от проникновения токсикантов. 416 Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы Поэтому для выявления экологических последствий токсифи- кации водной среды применяется тестирование непосредственно в водоемах - В мировой практике широко используются так называемые микрокосмы - искусственные емкости, которые помещают в естественные водоемы, ограничивая определенные объемы воды, а также экспериментальные емкости большего объема — мезо- и макрокосмы, которые устанавливают даже в океанических водах (рис. 126). Макрокосмы — это довольно сложные инженерные сооружения, которые удерживаются на плаву и выдерживают даже большие волны. В таких изолированных объемах воды исследуют влияние антропогенных факторов на гидрохимический режим, динамику численности и биомассы гидробионтов. Применение обычных гидробиологических методов отбора и анализа проб (количественный учет фито-, зоо- и бактериопланктона) позволяет выявить наиболее чувствительные к токсикантам виды, проследить перестройку структуры планктонных ценозов и другие параметры водной экосистемы. |