Гидробиология и проблемы загрязнения водной среды

Особым вниманием науки и практики пользуется химическое загрязнение окружающей среды, т. е. появление в окружающей среде субстанций, оказывающих влияние на живые организмы за счет химических и физико-химических взаимодействий с молекулами и атомами, входящими в состав живого вещества. Такими субстанциями являются вещества, влияющие на осмотический и ионный баланс водных организмов, биогенные элементы и соединения, реппеленты, аттрактанты, яды различного происхождения.

↑Состояние и история проблемы

Проблема взаимодействия экзогенных веществ, непроизвольно появляющихся в окружающей среде, с организмом  и биологические последствия такого взаимодействия давно интересовали человечество [Арнольд, 1897; Бэр, 1860; Купцис, 1901; Строганов, 1941, 1960; Патин, 1972]. Особую актуальность она приобрела с развитием техногенной цивилизации. Наряду с биогенными агентами химические вещества, среди которых множество весьма ядовитых, проникли во все сферы деятельности человека и во все среды. Создаются вещества, специально предназначенные для того, чтобы подавлять те или иные биологические процессы и группы организмов в целом. Наряду с воздействием на "организмы - мишени" эти вещества оказывают губительный эффект и на другие компоненты флоры и фауны. В некоторых случаях жертвой химического загрязнения оказывается и сам человек, как это было в случае с "болезнью Минамата" [Takeuchi, 1972]. Возникло представление о появлении в окружающей среде синтетических веществ - "ксенобиотиков", не имеющих, как полагают, аналогов в живой природе, и поэтому особо опасных для организма.

Научные основы исследований, связанных с появление токсичных агентов в водных экосистемах, в нашей стране были заложены трудами Э.А. Веселова, Н.С.Строганова, А.М.Гусева и их коллег. Систематический интерес к различным аспектам появления в биосфере токсичных веществ в связи с расширением хозяйственной деятельности, как и за рубежом, сформировался в 40 - 60 годы. Начиная с 60х годов определился круг специалистов и целых научных коллективов, плодотворно работающих в этой области. Важный вклад в эти исследования внесен работами Л.П.Брагинского, С.А.Патина, Л.А.Лесникова, М.М. Камшилова, Б.А.Флерова.

В соответствие с ростом интереса к проблематике загрязнения Н.С.Строганов выделял три этапа в развитии научно – прикладного направления, названного им водной токсикологией.

По мнению Н.С.Строганова, первый этап - с середины ХIХ в. до 1917 г. характеризуется одиночными наблюдениями за влиянием на рыбные промыслы нефтяного и бытового загрязнения бассейна Волги. В этот период были заложены основы двух ведущих аспектов проблемы загрязнения вод - санитарно-гигиенического и рыбопромыслового.

Санитарное направление с течением времени оформилось в санитарную гидробиологию и ориентировалось на оценку качества вод  в водоемах  хозяйственного значения по  видовому составу биоты и на исследование роли водных организмов в деградации различных  веществ  в  водной среде.

Рыбопромысловое направление широко использовало  экспериментальные приемы и признается в качестве основы водной токсикологии. В начале века был предложен метод рыбной пробы, который используется для целей биотестирования и в настоящее время. Приблизительно в это же  время происходит  формирование интереса к изучению последствий загрязнения водной среды и за рубежом. Со второй половины ХIХ века проводятся наблюдения на загрязняемых водоемах, а с начала ХХ века - экспериментальная оценка токсичности стоков для различных водных организмов.

С 20-х годов начинается период,  который Н.С. Строганов относил ко второму этапу развития водной токсикологии. Он характеризуется более целенаправленными исследованиями влияния сточных вод конкретных предприятий и производств,  главным образом - на природные сообщества.  В дальнейшем  расширился круг водоемов и источников загрязнения, ставших объектом исследований.

Одновременно, на научной основе экологической физиологии, формируется направление, связанное с  экспериментальными исследованиями в рамках изучения влияния различных факторов  среды  на  жизненные функции водных организмов.

Начиная с 40-х годов все больше внимания уделяется исследованиям в контролируемых условиях на  организмах,  относящихся  к  разным систематическим  и экологическим группам.  В систему токсикологической оценки были включены другие,  помимо рыб, виды гидробионтов. Расширился круг методов оценки эффекта. В дополнение к традиционным общебиологическим методам были предложены новые методы и подходы, основанные на исследовании механизмов действия токсичных веществ на структуры и частные  функции организма, взаимосвязи концентраций, времени действия и эффекта, закономерностей динамики токсического действия на водные организмы. Этот подход с 60х годов стал рассматриваться в качестве основного пути исследования неблагоприятных последствий загрязнения для экосистемы водоема и для использования  водных объектов человеком.

↑Задачи водной токсикологии

Водная токсикология была определена Н. С. Строгановым, как новое научное направление, “исследующее токсичность водной среды любого происхождения для гидробионтов, и все реакции гидробионтов на токсичность водной среды  на  всех  уровнях  организации живого” [1970]. В этот период начинает вводиться в практику токсикологическое регламентирование загрязнения водоемов и определяется режим охраны водоемов от загрязнения.

В последующие годы теория и практика водной токсикологии продолжали развиваться и приводились в соответствие  с  основными ее задачами, зачастую выходящими за пределы природоохранной проблематики. Основные фундаментальные задачи водной токсикологии соответствуют задачам других направлений токсикологии. Н.С. Строганов [1970] включал в круг этих задач определения понятий нормы, патологии и критериев вредного действия токсичного вещества, установление связи между строением вещества и его  биологическим  эффектом, оценку проявлений материальной и функциональной кумуляций, исследование закономерностей и механизмов токсического эффекта загрязнения на  водные организмы, выявление форм и оценку вероятности проявления отдаленных последствий токсического  эффекта, уточнение условий формирования адаптаций к интоксикации.  К прикладным задачам отнесены диагностика отравления, выбор организмов и функций для целей нормирования  и биотестирования,  определение  безвредных уровней токсических веществ в природных водах, разработка токсикометрических методик. Хотя задачи водной токсикологии водной среды и перекликаются с аналогичными задачами других направлений токсикологии, особенность среды обитания гидробионтов и их физиологии определяет своеобразие путей и методов их решения.

Проблематика водной токсикологии, помимо природоохранных задач, предусматривает исследование токсичности водной среды в связи с разработкой эффективных биоцидов, контроль токсичности растворов отдельных веществ для разнообразных целей, экстрактов и смывов и др.

↑Основные понятия водной токсикологии

Водная среда  участвует в превращении токсичных веществ, в связи с чем не всегда известно, в каком виде такое вещество, в конечном счете, воздействует на биологический объект. Накопление вещества водным организмом редко бывает пропорциональным его концентрации в воде и поэтому было бы ошибкой отождествлять закономерности концентрация - эффект и доза-эффект. Водные организмы являются пойкилотермными, в отличие от млекопитающих, и проявление процессов поражения у них может быть иным по сравнению с поражением у млекопитающих. Многие гидробионты имеют короткий жизненный цикл, в связи с чем относительно быстро может проявиться эффект вещества в течение ряда генераций вида и выявятся наследственные последствия воздействия.

Предлагают разграничивать понятия контаминация и загрязнение. Контаминация подразумевает присутствие любых повышенных, по сравнению с природными, концентраций веществ в воде, осадках или организмах. Загрязнением контаминацию  предлагается называть в том случае, если она способна оказывать вредное действие на биоту или ухудшает качество воды для использования человеком. Это разделение следует считать условным, т.к. последствия присутствия постороннего вещества зависят от продолжительности его пребывания в компонентах среды. Кроме того, контаминация для  одного вида может оказаться загрязнением для другого.

Водная токсикология преимущественно исследует последствия появления в окружающей среде веществ, считающихся ядовитыми. Ядами, токсикантами или токсичными веществами обычно называют такие вещества, которые нарушают жизнедеятельность организма путем химических взаимодействий со структурными элементами клеток и тканей, ферментами и субстратом их реакций. В водной токсикологии используется понятие «токсикант», и этим подразумевается, что конкретное вещество способно оказывать неблагоприятное действие в тех концентрациях и в той форме, в которых оно может встречаться в природных или сточных водах. Такое вещество в низких концентрациях или в определенных экологических условиях может присутствовать в окружающей среде, не только оказывая неблагоприятного действия на обитателей вод, но и вызывая стимуляцию жизненных процессов. Токсичным оно становится при повышении концентрации,  при перемене некоторых условий или состояния организмов. Поэтому иногда используется понятие «потенциально токсичные вещества», т.е. вещества, способные быть ядовитыми в определенных условиях

Присутствие загрязняющих веществ в водной экосистеме  порождает необходимость исследования процессов, относимых к трем категориям: процессов перемещения и превращения вещества в абиотической среде (физическо-химическая  стадия), процессов накопления, превращения и детоксикации вещества биообъектами  (токсикокинетика) и процессов, связанных с действием токсичного вещества на системы организма и живые сообщества водоемов  (токсикодинамика).

Особо отмечается динамичный характер явлений,  представляющих собой  сопряженный  комплекс  процессов поражения и ответных активных реакций биологической системы.  Универсальный характер этой сопряженности приводит  к  сходству  динамики токсических эффектов на различных уровнях биологической организации.

↑Водная экотоксикология

С 70х годов в специальной литературе появляется понятие «Экотоксикология», которое изначально определялось, как научная область, исследующая «эффекты химически и физических агентов на живые организмы, особенно на популяции и сообщества в определенных экосистемах; она включает пути переноса этих агентов и их взаимодействие с окружающей средой» [Truhaut, 1977].

В последующем было предложено множество более или менее широких определений экотоксикологии, но смысл их сводится к тому, что экотоксикология – это научная область, исследующая процессы взаимодействия потенциально токсичных веществ, загрязняющих окружающую среду, с абиогенными компонентами экосистем и их населением, закономерности и последствия этих взаимодействий как на уровне индивидуума, так и биологических сообществ. Однако особо подчеркивается, что проблематика экотоксикологии не затрагивает вопросов, имеющих непосредственное отношение к медицинской сфере.

Что касается гидросферы, то экотоксикология водной среды включает наиболее развитое направление водной токсикологии, во многом пересекающееся с интересами санитарной гидробиологии, общей экологии, геохимии.

Кратко сферу компетенции водной экотоксикологии можно определить следующим образом. Водная экотоксикология – та часть экологии, которая исследует вопросы, связанные с появлением в экосистемах потенциально токсичных веществ, та часть общей токсикологии, которая исследует токсические эффекты на водные организмы, и, наконец, та часть водной токсикологии, которая посвящена  природоохранным аспектам загрязнения водной среды токсичными веществами. Опираясь на опыт классической токсикологии и экологии, экотоксикология предполагает возможности как аутоэкологического, так и синэкологического подходов в исследовании предмета. Если аутоэкологический подход подразумевает судьбу организма и его взаимодействия с окружающей средой на фоне влияния токсичных веществ, то синэкологический подход рассматривает судьбу популяций и сообществ в условиях загрязнения среды.

Опыт убеждает, что на сегодняшнем уровне знаний попытки прогноза развития экологических процессов при химическом воздействии по изменениям, отмечаемым в пределах отдельно взятой особи одного вида,  характеризуются  низкой степенью надежности. Частные изменения могут объяснять более общие явления, но только в исключительных случаях могут более или менее надежно предсказать развитие процессов в более сложных биосистемах.

Освещение фундаментальных основ и закономерностей эффекта загрязняющих веществ призвано содействовать лучшему пониманию  путей  решения практических задач в области защиты водной среды от загрязнения. Часто под окружающей средой понимают непосредственное окружение,  в котором живет и работает человек.  Однако, эколог под окружающей средой подразумевает  окружение любого живого существа и к проблеме загрязнения  окружающей  среды  подходит  не  только с позиций оценки непосредственной угрозы здоровью человека, но и с учетом возможных опосредованных последствий загрязнения для отдельных видов, биоценозов, жизни на Земле и, в частности, для существования и развития человека, как вида. Столь широкий подход подразумевает необходимость исследования действия токсичных веществ на организмы различного систематического положения, часто радикально различающиеся между собой по строению и образу жизни.

Перестройки в биоценозах под влиянием загрязнения окружающей среды, в свою очередь, влекут за  собой  изменения среды обитания живых существ,  в особо злостных случаях приводя к экоциду.  Следствием этих изменений для человека является ухудшение качества воды,  снижение промысловой продуктивности водоемов, ухудшение качества продукции. Продовольствие и чистая вода жизненно необходимы для человека, и по своей реальной ценности не идут ни в какое сравнение с ценностями, создаваемыми другими нуждами человека. В ближайшем будущем едва  ли возможно создание продукции, способной полноценно заменить собой натуральные продукты питания. В связи с ростом населения  Земли  и  дальнейшим возрастанием промышленного производства проблема продовольствия,  чистой воды и атмосферы будет все более обостряться. Поэтому и биологические последствия загрязнения среды необходимо оценивать с учетом такой перспективы, и в число задач исследований по проблеме, наряду с необходимостью сохранения  биологической нормы, входит  и обеспечение хозяйственной  нормы состояния водной биоты в условиях загрязнения.

↑Санитарная гидробиология

Санитарной гидробиологии - это часть общей санитарии, сугубо медицинской  дисциплины, занимающейся изучением и разработкой теоретически обоснованных требований общественной гигиены и практическим проведением санитарно-гигиенических и противоэпидемических мероприятий. В связи с этим, санитарная гидробиология представляет собой вспомогательную дисциплину практической направленности, призванную решать частные проблемы санитарии, связанной с неблагоприятными для человека (но не водной биоты) последствиями антропогенной деятельности для водных экосистем. Задачей санитарной гидробиологии является обеспечение условий сохранения качества водной среды и продукции с позиций  хозяйственной  нормы независимо от фактора, способного их нарушить.

Санитарная гидробиология решает тактические проблемы загрязнения водной среды медицинской ориентации. Поэтому появление в водном объекте возбудителей кишечных заболеваний, например, недопустимое с точки зрения гигиены,  совершенно безразлично для состояния экосистемы. С другой стороны, изменения в рыбоводном водоеме, вполне полезные для человека, являются стрессовыми с точки зрения экологии. Таким образом, понятия благополучия  с точки зрения экологии и текущих интересов человечества могут и не совпадать. В связи с этим для специалиста – гидробиолога основной интерес могла бы представлять не столько «санитарная гидробиология», сколько  «гидробиологическая санитария», т.е. не «гидробиология для санитарии», а «санитария для гидробиологии». Точно так же в более широком масштабе может быть обозначена «экологическая санитария».

Впрочем, это разграничение является условным  и многие задачи, предметы и методы всех указанных выше научно-прикладных направлений пересекаются.

↑Литературные источники

Арнольд И.В. О влиянии нефти на рыб. Вестник рыбопромышленности. 1897. № 4. С. 167-196

Брагинский Л.П. Пестициды и жизнь водоемов. Киев, Наукова думка, 1972.

Бэр К. Исследования о состоянии рыболовства в России. С-Пб., 1860. Т. I. 97 с.

Макрушин А.В. Биологический анализ качества вод. Л.: 1974. 115 с.

Методики биологических исследований по водной токсикологии. По ред. Н.С. Строганова. М.: Наука, 1971. 300 с.

Миронов О.Г. Нефтяное загрязнение и жизнь моря. Киев: Наукова думка, 1973;

Патин С.А. Влияние загрязнения на биологические ресурсы и продуктивность Мирового океана. М.: Пищепромиздат, 1972. 305 с.

Патин С.А. Экологические проблемы освоения нефтегазовых ресурсов морского шельфа. М.: ВНИРО, 1997. 350 с.

Строганов Н.С. Новые пути решения проблемы действия сточных промышленных вод на водные организмы. М.: МГУ, 1941.

Строганов Н.С. Современные проблемы водной токсикологии. Вестн. МГУ, Сер. Биол., 1960. № 2. С. 3–17.

Строганов Н.С. Загрязнение вод и задачи водной токсикологии. В сб.: Вопросы водной токсикологии. М.: Наука, 1970. С. 11–23.

Филенко О.Ф. Водная  токсикология. Черноголовка: МГУ, 1988. 156 с.

Филенко О.Ф., И. В. Михеева. Основы водной токсикологии. М.: Колос, 2007. 144 с.

Флеров Б.А. Эколого-физиологические аспекты токсикологии пресноводных животных. Л.: Наука. 1989. 144 с.

 Kolkwitz R., M. Marsson. Ökologie der pflanzlichen Saprobien. Berichte der deutschen botanischen Geselschaft. 1908. B. 26: 505–519.

Pantle R., Buck H. Die biologische Uberwachung der Gewasser und die Darstellung der Ergebnisse. Gas- und Wasserfach, 1955. B. 96. № 18: 604.

Principles of ecotoxicology. Ed.by G.C.Butler, 1978. 350 p.

Sládeček V. Water quality system. Verh. Internat. Verein. Limnol., 1966. V. 16, № 2: 809–816.

Takeuchi T. Distribution of mercury in the environment of  Minamata Bay and the Inland Ariake Sea. – In: Environmental mercury contamination. Ed. Hartung R., B. D. Dinman, Ann Arbor Science Publishers, 1972. P. 79–81.

Truhaut R. Ecotoxicology – a new branch of toxicology. In Ecological toxicology research (Eds. by A.D. McIntyre and C.F. Mills), 1975, Proc. NATO Science Comm. Conf., Quebec, May 6-10, 1974, Plenum Press, New York. 323 pp.

О.Ф. Филенко