Романенко Основы гидроэкологии. Р69 Основы гидроэкологии Учебн для студентов высших учебных заведений. К генеза, 2004. 664 с 1
 Скачать 7.62 Mb.
|
|
\f Рис. 126. Схема искусственного для гидроэкологических исследований- плавучая лаборатория 2 - изолированный участок Основы гидроэкологии 22.6. лого-биохимические механизмы действия токсикантов на водные организмы Функциональные изменения, происходящие под воздействием токсикантов, наиболее полно изучены на рыбах, поскольку их физиология и биохимия разработаны значительно лучше, чему беспозвоночных. В опытах на рыбах можно применять все методические подходы, используемые в современной физиологии, биохимии и токсикологии. Это направление токсикологических исследований называется В токсической среде происходит нарушение обмена белков, жиров, углеводов и витаминов, то есть практически всех метаболических Токсиканты могут проявлять и специфическое действие вот- ношении отдельных функций организма. Поэтому различают отравляющие вещества общего действия и отравляющие вещества специфической направленности, отрицательно влияющие на отдельные функции организма. Классификация токсических веществ по характеру действия на водных животных [68] приведена ниже: Преоблада- ющее действие яда Вещества Локальное Нервно- паралитическое Гемолитическое Внутрикле- точное Ферментное Наркоти- ческое Комбиниро- ванное Неорганические: хлор калия, перекись водорода, кислоты, щелочи, соли тяжелых металлов, борная кислота; органические: формальдегид, органические кислоты, красители, дубильные вещества, детергенты Неорганические: аммиак, соли аммония, углекислота, щелочные и щелочноземельные металлы, фтор, фосфорорганические нефть и нефтепродукты, фенолы, смолы, алкалоиды, сапонины, терпены, продукты переработки древесины, хлорорганические и фосфорорганические пестициды, другие гербициды и альгициды Неорганические: аммиак и соли аммония, свинец, цианиды; органические: сапонины, пестициды (диурон, пропа- нид), токсины синезеленых водорослей Неорганические: фтор, цианиды; органические: меркаптаны, мочевина Неорганические: фосфор, фториды, цианиды: органические: органические соединения фосфора, инсектициды (хлорофос, метафос, карбофос и другие), меркаптаны, некоторые детергенты Органические: углеводородные соединения, хлороформ, дихлорэтан, алкоголь, эфиры, кетоны, альдегиды, нитросоединения аммиак и соли аммония, цианиды, фторорганические органические соединения фосфора, формальдегид, сапонины Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы Влияние токсикантов на рыб наиболее полно проявляется при повышенной температуре воды. С понижением температуры рыбы и беспозвоночные переходят в состояние, близкое к анабиозу, и практически не проявляют признаков интоксикации. Наоборот, если температура превышает 25 все жизненные процессы ускоряются, усиливается обмен вещества соответственно, усиливается и токсическое воздействие. При температуре выше 30 С, которая бывает в водоемах-охла- дителях энергетических объектов, токсичность загрязняющих веществ возрастает многократно, например меди и кадмия - натри порядка. В значительной мере это связано с активностью ферментов, поскольку большинство токсикантов выступает как ферментные. Реакция гидробиоты на токсическое действие химических веществ в естественных условиях После поступления вводные экосистемы токсические вещества в первую очередь взаимодействуют с планктонными организмами. В организме ракообразных-фильтраторов они накапливаются в особенно большом количестве. Поэтому фильтраторы выступают как первый буфер, принимающий основной токсический пресс на себя, уменьшая тем самым отрицательное влияние на организмы других трофических уровней. Вследствие этого они первыми выпадают из состава планктона, что приводит к смене в нем доминантных видов. Снижение интенсивности потребления зоопланктоном планктонных водорослей приводит к более интенсивному их развитию, вплоть до возникновения цветения воды. Организмы зоопланктона вообще более чувствительны к действию многих токсикантов, чем водоросли, поэтому первичная продукция в условиях невысокого токсического загрязнения может даже возрастать вследствие ослабления пресса зоопланктона на фитопланктон. Одновременно с этим возрастают и показатели разложения (деструкции) фитопланктона, что ускоряет самозагрязнение водоемов. Токсиканты вводных экосистемах распределяются между компонентами планктона неравномерно и это приводит к коренной перестройке структуры планктонных сообществ. Как правило, такие перестройки осуществляются в три этапа. На первом этапе существенно колеблются показатели численности и биомассы планктонных популяций, что характеризуется как этап раскачивания системы. На втором происходит смена доминантных форм, которая заключается в том, что виды-доминанты и субдоминанты переходят на второй план или совсем исчезают, а доми- 419 Основы гидроэкологии нантами становятся виды, которые раньше были второстепенными. Такие изменения чаще всего имеют скачкообразный характер и обнаруживаются при достижении определенных критических значений концентрации токсиканта. Третий этап характеризуется полным изменением структуры гидробиоценозов при общей тенденции к падению численности и биомассы отдельных планктонных В случае длительного воздействия токсикантов может полностью исчезать фитопланктон, вследствие чего прекращается фотосинтез, нарушаются трофические цепи и экосистема отмирает. В донных отложениях такие процессы выражены менее четко, несмотря на то, что токсиканты к ним поступают в значительном количестве при осаждении взвешенных частиц и отмершего планктона. Донный ил интенсивно адсорбирует токсиканты, которые взаимодействуя с органическими и другими веществами часто теряют свою токсичность (например, комплексные соединения тяжелых металлов. В связи с этим прямое влияние токси- кантов на бентонтов может значительно ослабевать. Нестойкие органические токсиканты разрушаются микроорганизмами донных отложений, а частично трансформируются микро- и мезобен- тосными организмами, которые питаются илом (нематоды, оли- гохеты, личинки хирономид). Аккумуляция токсикантов из донных отложений осуществляется по трофическим цепям ил - донные микроорганизмы — бентосные беспозвоночные - рыбы — бентофаги (лещ, сазан, линь, сом и другие. При продолжительном накоплении токсикантов ил становится токсичным, но обнаружить это можно лишь при биотестировании водных вытяжек ила. Описанные проявления токсикогенных характерны для водоемов относительно небольших размеров, отравленных токсикантами в небольших концентрациях, не вызывающих сразу массовую гибель гидробионтов. В реках происходит разбавление токсикантов и снос их в низовья или в водохранилища, где они оседают в составе взвешенных частиц. Катастрофические сбросы сточных вод, аварии на очистных сооружениях, залповые выбросы загрязняющих веществ и другие чрезвычайные ситуации, которые приводят к поступлению в водоемы значительной массы токсикантов (среди которых много особо ядовитых, сопровождаются массовой гибелью (замором) рыб и беспозвоночных. Такие явления часто связаны с совместным воздействием токсикантов и кислородного дефицита Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы. Биологическая индикация и мониторинг токсических загрязнений водных экосистем Изменения, происходящие под влиянием токсических веществ, отражаются на видовом многообразии и структуре гидро- биоценозов. Лишь в критических ситуациях жизнь водоемов приостанавливается полностью, и только на короткий период. Выживают и процветают виды, наиболее приспособленные к новым условиям среды. Такая приспособленность возникает вследствие более или менее быстрых возможных прежде всего у видов с коротким жизненным циклом и быстрой сменой поколений. В новых условиях протекают процессы естественного отбора, возникают мутантные расы. Наиболее легко адаптируются водоросли и бактерии, у которых отсутствует дифференцированный обмен веществ. Способность к адаптации в условиях токсической среды тем ниже, чем выше уровень организации вида. Поэтому от токсических загрязнений наиболее страдают популяции высших ракообразных и рыб, занимающих вершину трофической пирамиды. Среди токсикантов преобладают ксенобиотики — вещества, созданные человеком, которые никогда в природе не существовали. За короткое время, прошедшее от начала применения таких веществ, не успели сформироваться популяции, которые приспособились бык жизни в отравленной ими среде. Среди гидробионтов имеются лишь единичные виды с повышенной устойчивостью к токсическим веществам. Однако, специфичных индикаторных видов, чувствительных к отдельным токсическим загрязнениям, нет. По этой причине вводной токсикологии не создана система, которая бы позволяла оценивать уровень токсического загрязнения вод подобно оценке уровня сапробности по видовому составу флоры и фауны. Перспективным подходом к индикации токсических загрязнений является биоценотический, учитывающий изменения структуры планктонных сообществ гидробионтов. Так, при токсических загрязнениях из состава зоопланктона могут выпадать популяции одних ракообразных (ветвистоусых), менее защищенных от проникновения токсикантов из воды, в то время как популяции других (веслоногих) продолжительное время не изменяются. Это связано с наличием у них хитинового покрова и особенностями питания. Такие животные не усваивают токсиканты через внешние покровы тела и не фильтруют воду в процессе питания, а получают их только через трофические цепи. Поэтому биоценотические изменения состоят прежде всего в исчезновении отдельных видов. Так, отсутствие ветвистоусых указывает на наличие значительного токсического загрязнения Основы гидроэкологии а общее снижение биомассы одновременно с изменением структуры доминирования - на степень угнетения планктона. Такие изменения достаточно наглядно отражаются на ценограммах. Наряду с методами биоиндикации, которые позволяют установить наличие токсических загрязнений по изменениям видового состава и структуры гидробиоценозов, большое значение в контроле токсичности загрязненных вод приобретает комбинированный способ, базирующийся на аналитическом определении содержания отдельных токсикантов в органах и тканях видов-концент- раторов Способность к накоплению токсических веществ характерна для многих гидробионтов. В частности, она присуща макро- и микроводорослям, фораминиферам, губкам, кишечнополостным, ракообразным, моллюскам. Последние наиболее показательны, так как накапливают тяжелые металлы и микроэлементы в жидкости мантийной полости ив раковине (двухстворчатые моллюски. Исходя из этих свойств, для контроля токсического загрязнения морских вод применяют метод, который базируется на систематическом определении содержания тяжелых металлов и редкоземельных элементов в органах и тканях мидий. Высшие водные растения (камыш, рогоз) накапливают органические ток- сиканты, в частности пестициды, в корневищах. Токсические вещества могут накапливаться ив организме рыб - в основном в ге- патопанкреасе, селезенке, костях, чешуе. Организмы-концентраторы, которые используются в качестве индикаторов токсического загрязнения водных экосистем, получили название мониторов а их накопительная способность количественно характеризуется коэффициентом накопления отношением аналитически определенного содержания токсикан- тов в тканях исследуемых гидробионтов к их содержанию в воде. Степень накопления токсикантов в донных организмах определяется по отношениям количества накопленных токсикантов к их содержанию в донных отложениях (коэффициент донной биологической аккумуляции - КДБА). Для оценки соотношения концентраций токсикантов в донных отложениях ив воде используется коэффициент донной аккумуляции (КДА). Три указанных коэффициента - КН ив достаточной степени характеризуют уровень токсического загрязнения водной экосистемы в целом. Причем эти коэффициенты отражают неслучайную (одномоментную) картину, а характеризуют длительную хроническую токсификацию водного объекта. Таким образом, для оценки токсичности химических веществ для гидробионтов, индикации токсических загрязнений и общего уровня токсификации водных экосистем применяют три основных метода биоиндикацию по шкале токсобности, биотестирова- 422 Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы ние и использование организмов-мониторов. Наиболее полная оценка токсичности водных экосистем может быть получена при применении всех трех методов. Среди них наиболее доступными достаточно информативным методом контроля токсичности является биотестирование. 22.9. Биологическая детоксикация и водных экосистем Гидробионты имеют определенные защитные механизмы, противодействующие губительному влиянию отравляющих веществ. Так, брюхоногие моллюски в токсической среде закрывают створки и выделяют большое количество слизи, защищающей их организм от доступа токсикантов. Дафнии и прочие ветвистоусые рачки выделяют метаболиты, которые могут связывать тяжелые металлы в комплексные соединения. Для активно подвижных беспозвоночных характерна реакция избегания они стараются уйти из загрязненной токсическими веществами зоны. Большинство донных животных физиологически защищены от отравления. У них тканевое дыхание при определенных условиях переключается на гликолиз (переход с аэробного на анаэробный тип дыхания. Моллюски к тому же способны к детоксикации многих органических ядов. В популяциях ветвистоусых рачков и коловраток в неблагоприятных условиях партеногенетическое размножение сменяется половым. В результате оплодотворения формируются стойкие к проникновению токсикантов яйца (эфиппиумы), которые функционально неактивны и поэтому не подвержены интоксикации. Наличие в жизненном цикле анабиотических стадий (цисты, споры- это один из путей сохранения популяций гидробионтов в неблагоприятных условиях. В водных экосистемах происходят разнообразные процессы, которые противодействуют токсификации и направлены на восстановление нарушенного экологического равновесия. В этом отношении водные экосистемы следует рассматривать как равновесные динамические системы, в которых при загрязнении ток- сикантами нарушается равновесие одни виды заменяются другими, появляются новые доминанты, усиливается или угнетается фотосинтез и бактериальная деструкция, колеблются величины численности и биомассы гидробионтов. Весь этот сложный механизм биологических процессов направленна то, чтобы сгладить или ликвидировать последствия воздействия токсических веществ, нарушающих нормальное функционирование водных экосистем Основы гидроэкологии В ходе физико-химических и биологических процессов токси- канты тем или иным путем удаляются из водной среды разлагаются, седиментируют в донные отложения, связываются в неактивные комплексные соединения (тяжелые металлы, трансформируются в другие нетоксические соединения или накапливаются в различных звеньях трофического цикла. Весь комплекс этих процессов называется (самоочищением от токси- кантов, а свойство водных экосистем сохранять и поддерживать свою стабильность в условиях токсификации называется буфер- ностью. Освобождение водных экосистем от токсических веществ связано с физико-химическими процессами, к которым относятся разбавление, перенесение течением, механическое разрушение (перетирание) минеральными частицами, сорбция взвешенными частицами, осаждение в донных отложениях с последующим их заилением и т. д. Биологическое самоочищение (биологическая детоксикация) осуществляется на основе биологических процессов: фильтрации (присущей главным образом ракообразным-фильт- раторам в планктоне и моллюскам в бентосе окисления синтетическая аэрация, входе которой вода обогащается кислородом и происходит окисление нестойких органических веществ минерализации (разложение органических соединений бактериями, грибами, актиномицетами и другими микроорганизмами) и накопления (концентрирование токсикантов в органах и тканях гидробионтов. Вследствие этих процессов концентрация токсикантов вводных массах существенным образом уменьшается, но может возрастать в донных отложениях ив организмах гидробионтов. Результатом такого перераспределения токсических веществ может быть хроническая токсификация экосистемы, сопровождающаяся резким уменьшением продуктивности популяций или массовой гибелью живых организмов. То есть это ненастоящая детоксикация, а условная. В реках водные массы, загрязненные токсикантами, переносятся в низовья, где они оседают приуменьшении скорости течения или выносятся в море. Следствием этого является загрязнение и токсификация морских вод. Так, в Черном море вследствие постоянного притока остатков гербицидов со стоками полей рисоводчес- ких хозяйств Северного Причерноморья резко сократились площади филлофорного поля Зернова, а под влиянием загрязняющих стоков Дуная, Днепра и Днестра периодически наблюдаются массовые заморы бентосных организмов на значительных площадях. Аналогичная ситуация складывается в водохранилищах, где вследствие снижения скорости течения осаждаются взвешенные частицы, приносимые притоками. Именно поэтому Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы ща часто играют роль отстойников, которые, с одной стороны, очищают воду, ас другой - накапливают токсиканты в своей экосистеме. Последствия такого накопления обнаруживаются в экстремальных ситуациях, например при взмучивании донных отложений вовремя штормов или вследствие срабатывания больших масс воды через плотину водохранилищ (как это имело место в днепровских водохранилищах в зимние периоды 1995-1998 гг.). Происходит переход токсикантов из донных отложений в толщу воды при одновременном повышении ее мутности. Наряду с этим отмечается острый дефицит кислорода, что приводит в таких случаях к заморам рыб и беспозвоночных. Однако даже после самых тяжелых экологических катастроф водные экосистемы способны восстанавливаться в течение определенного периода, продолжительность которого обусловлена рядом факторов. Так, содержание токсикантов рано или поздно снижается, а остаточные их концентрации могут действовать как стимуляторы развития водорослей. Кроме того, всегда остается биофонд в донных отложениях в виде спор, цист и других жизнеспособных форм растений и животных. Некоторые из них могут заноситься в водоемы извне с водой притоков, вследствие миграции насекомых, водоплавающих птица также при откладывании яиц комарами, мошками и другими двукрылыми насекомыми, личиночные стадии развития которых проходят в водоемах, то есть путем использования ресурсов наземной фауны. Свободные экологические ниши, образующиеся в водоемах и водотоках после попадания в них токсикантов, довольно быстро заполняются новыми поколениями гидробионтов, которые начинают интенсивно размножаться, как только качество воды улучшается. Нормирование уровня токсического загрязнения Основные направления практической деятельности в области охраны вод от токсических загрязнений - очистка сточных вод, разработка стандартов и нормативов допустимого загрязнения и объемов их сбросов. В этом аспекте особое значение приобретает обоснование так называемых предельно допустимых концентраций токсических веществ, разрабатываемое гигиенистами, эко- токсикологами и гидроэкологами. Предельно допустимые концентрации (ПДК) - такие концентрации химических веществ, которые не наносят ущерба здоровью человека при использовании воды для питьевых и других целей (санитарно-гигиенические ПДК, не препятствуют нормальной Основы гидроэкологии жизнедеятельности рыб и кормовых организмов (рыбохозяйственные ПДК, не нарушают состояние водных экосистем (экологические нормативы — ЭН, или экологические стандарты качества Значительные сложности в разработке нормативов ПДК создает многокомпонентность состава сточных води одновременное поступление в водоемы различных по химической природе токси- кантов. Кроме того, ПДК устанавливаются для отдельных конкретных вещества не для их смесей. В практике охраны вод ПДК для сложных смесей устанавливают на основании несложной формулы -где - концентрации отдельных веществ ПДК - предельно допустимые концентрации этих веществ. Приведенная формула не ни взаимодействия между веществами, ни возможности образования из них более или менее токсических веществ, ни характера их объединенного действия на живые организмы, который может быть антагонистическим или синергическим. Разработка нормативов качества среды обитания человека на территории бывшего СССР относится к началу XX в, когда были обоснованы методологические подходы к гигиеническим требованиям допустимых пороговых концентраций химических веществ для водных объектов, атмосферного воздуха, почв и продуктов питания. В их основу были положены три основополагающих принципа: о пороговом действии промышленных ядов, приоритет медико- биологических показателей перед технологическими, опережающее обоснование и осуществление профилактических мероприятий, связанных с производством и применением недостаточно изученных и потенциально опасных химических веществ, что сопряжено с риском для здоровья населения. В связи с особенностями физико-химических свойств воды, почвы, атмосферного воздуха, продуктов растительного и животного происхождения гигиенические нормативы устанавливаются отдельно для различных объектов санитарной охраны. Остановимся более подробно на нормировании химических веществ вводной среде. Оценка уровня загрязнения воды с гигиенических позиций предназначена для хозяйственно-питьевого и культурно-бытово- го назначения. Это связано стем, что вода используется населением не только для приготовления пищи и питьевого употребления Раздел V. Антропогенное влияние на водные экосистемы |