Экологические аспекты водной токсикологии

УДК 574 Камч

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОДНОЙ ТОКСИКОЛОГИИ

И.В. Карманова

Представлены сведения об источниках токсических неорганических и органических веществ и их влиянии на гидробионтов, что приводит к нарушению гомеостаза в водных экосистемах. Пораженные токсическими веществами гидробионты становятся опасными для здоровья человека.

Information on the sources of toxic inorganic and organic substances and its influence on hy-drobionts are presented in the article. Such influence leads to disturbance of homeostasis in water ecological systems. Hydrobionts affected by toxic substances become dangerous for human health.

Важный принцип в организации экосистем - связь между биотическими и абиотическими компонентами среды. Самоочищение водных объектов имеет особенно большое значение. Физические и химические процессы самоочищения воды нередко регулируются биологическими факторами или существенно зависят от них. Большое значение в самоочищении водоемов имеют бактерии, низшие грибы, водоросли. Фильтрационной активностью обладают некоторые группы гидробионтов. Среди планктона это простейшие, коловратки, усоногие раки, личинки многих насекомых, имеющих водную стадию развития, среди бентоса - мшанки, иглокожие, двустворчатые моллюски, гастроподы, полихеты, губки [1].

Однако при сильном загрязнении водоемов система самоочищения может существенно нарушаться, особенно при попадании в водоем токсических веществ, которые способны привести к гибели большое количество гидробионтов. Факторы окружающей водной среды, оказывающие вредное действие на организм, могут иметь различную природу. Физические факторы - температура, давление, колебания среды (звуки, вибрации) и др. - при достаточной силе воздействия по-

вреждают организм. К химическим факторам может быть отнесено присутствие в окружающей среде субстанций, оказывающих влияние на живые организмы за счет химических и физикохимических взаимодействий с молекулами и атомами, входящими в состав живого вещества. К таким субстанциям относятся вещества, влияющие на осмотический и ионный баланс водных организмов: репелленты, аттрактанты, биогенные элементы, яды различного происхождения.

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 [2].

Источники поступления токсических веществ в водную среду могут быть естественными и антропогенными. Естественные загрязнения веществами в концентрациях, способных вызывать значимое биологическое действие, связаны с вулканической активностью, разрушением горных пород, выделением продуктов жизнедеятельности различными организмами. Ассортимент загрязняющих веществ биогенного происхождения широк и разнообразен. Токсическим действием обладают разнообразные антибиотики, алкалоиды и в соответствующих концентрациях обычные продукты жизнедеятельности гидробионтов. Многие морские организмы, в частности, синтезируют галогенсодержащие продукты.

«Цветение» пресных вод обусловлено развитием массовых видов цианобактерий в результате зарегулирования водотоков и избыточных сбросов в водоемы питательных веществ. При «цветении» вод в результате интенсивного развития водорослей образуются большие массы органического вещества, в том числе токсичного. Известно, что в пятнах «цветения» размером в несколько километров биомасса фитопланктона может достигать 40 кг/м3, а численность - около 1 млн клеток в 1 см3 воды. Особое значение в пресных водоемах, а также и в морях, имеет цветение синезеленых водорослей, которые являются причиной заболеваний и гибели рыб, беспозвоночных и околоводных животных, вызывают токсикозы и аллергические заболевания у человека. Токсины синезеленых водорослей представляют собой алкалоиды, по химическому и патологическому эффекту близкие к термостабильному яду гриба бледной поганки, и обладают протоплазматическим, а некоторые, кроме того, гемолитическим действием [2].

Развивающиеся в местах скопления синезеленых водорослей другие микроорганизмы могут также быть источником токсинов. Гниение водорослей и бурное развитие бактерий приводят к образованию аммиака, сероводорода и других газов, обеднению воды кислородом, что может вызывать замор рыб и других обитателей вод.

Кроме того, в морской среде наблюдается эвтрофикация и даже гиперэвтрофикация. Она образуется при сильном увеличении количества планктонных водорослей (перидиней, диатомей, динофлагеллят) и иногда различных простейших, бактерий, грибов, а также псевдопланктона -пыльцы прибрежных растений. Цвет воды при «цветении» моря может быть разнообразным: от всех оттенков красного, коричневого, желтого и зеленого до синего и серого [3]. В настоящее время известно около 200 видов, вызывающих «цветение» воды в морях, причем примерно 20% из них образуют ядовитые «красные приливы» [4].

Частота и интенсивность «красных приливов» напрямую связаны с антропогенным воздействием на неритическую зону морей. Гиперэвтрофирование, т. е. избыточное обогащение водоемов органическими и минеральными веществами, ведет к необратимому нарушению биологического равновесия [5]. «Красные приливы» как разновидность сильного «цветения» воды -один из достоверных показателей такого нарушения. Примерами могут служить Амурский залив и Авачинская губа, которые вот уже более двух столетий принимают неочищенные промышленные и бытовые сточные воды городов Владивосток и Петропавловск-Камчатский, а также смывы удобрений с полей [3].

Накопителями нейротоксинов водорослей наряду с такими моллюсками, как мидии, устрицы, гребешки, модиолусы, мии и другие, являются зоопланктон и травоядные рыбы. Причем аккумулировать яды, а следовательно, быть токсичными эти организмы могут не только в период «цветения», но и тогда, когда «красные приливы» не наблюдаются, однако токсичные водоросли достигают достаточно высокой концентрации. Это может быть в любое время года. Например, потенциально токсичные динофлагелляты, постоянно обитающие в Авачинской губе и способные продуцировать сакситоксин, находятся в толще воды в подвижном активном состоянии примерно полгода: с апреля-мая по октябрь-ноябрь, а в остальное время они лежат на дне в виде спор. Од-

нако более или менее интенсивно динофлагелляты размножаются только летом, поэтому летний период у берегов Восточной Камчатки наиболее неблагоприятен для заготовки употребляемых в пищу донных биоресурсов. Необходимо также учитывать, что в тканях моллюсков токсины динофлагеллят сохраняются достаточно долго, особенно много их в пищеварительных органах. Следовательно, употребление в пищу донных биоресурсов Авачинской губы небезопасно для жизни человека. Наиболее опасный потенциальный продуцент сакситоксина Alexandrium tamarense обитает на акватории дальневосточных морей повсеместно, поэтому летом нужно с особой осторожностью относиться к заготовке моллюсков в любом месте этого региона [3].

Известно три типа отравлений моллюсками: желудочно-кишечный, аллергический и паралитический, который наиболее опасен. При паралитическом типе возникает зуд или жжение слизистой оболочки рта и кожи лица, затем жжение может распространиться и на другие части тела. Зудящие области немеют, движение затрудняется. Нередко наблюдаются и другие симптомы: головокружение, боль в суставах, жажда, затрудненность дыхания и глотания. Однако один из наиболее грозных симптомов отравления - это паралич дыхательной мускулатуры, который может привести к остановке дыхания и даже к смерти, если вовремя не применить искусственное дыхание [6].

Таким образом, «красные приливы» способны нанести большой ущерб экономике. Кроме того, они представляют реальную опасность для жизни людей и являются причиной гибели рыб, птиц, млекопитающих и других животных, употребивших в пищу зараженных моллюсков.

Антропогенные загрязняющие вещества поступают из различных источников в атмосферу, почву и водоемы. Однако в процессе миграции основная их масса скапливается в водной среде. По объему загрязнения, потенциальной биологической и экологической эффективности наибольшую опасность представляют группы тяжелых металлов, нефть и нефтепродукты, пестициды разной химической природы, синтетические поверхностно-активные вещества, полихлорированные бифенилы, продукты и отходы различных химических производств.

В последние годы существенно расширился круг веществ и рецептур, используемых в горнодобывающей и нефтегазовой промышленности. Несмотря на большие общие объемы различных химических агентов, поступающих в водную среду, реальную угрозу представляют прежде всего их высокие локальные уровни, возникающие вблизи источников поступления.

Яды губительно действуют на молодь и икру рыб, уничтожают нерестилища и нагульные угодья, ограничивают миграции, снижают резистентность организма рыб, вызывают болезни, ухудшают качество рыбной продукции. Загрязненные сточные воды изменяют физические, физико-химические и химические свойства воды, количество и качество кормовых организмов, нарушают биологическое равновесие в водоеме и процессы самоочищения, тесно связанные с жизнедеятельностью одноклеточных организмов - бактерий, водорослей и простейших.

Общие глобальные проблемы возникают в основном с веществами, обладающими особо высокой устойчивостью в окружающей среде или способными перемещаться с атмосферными потоками.

На химический состав атмосферных осадков, выпадающих в техногенных зонах города, влияют многие факторы, в частности выбросы крупных промышленных предприятий, специфика и ритмичность их работы, наличие дорог разного назначения, другие факторы природного и антропогенного характера. Все это определяет большую амплитуду колебаний показателей химического состава снежного покрова, являющегося природным накопителем загрязняющих веществ, а также техногенный прессинг на естественные водоприемники: реки, озера и т. д. [7].

Поступление антропогенных загрязняющих веществ в морскую среду происходит по трем основным каналам: непосредственное удаление в море жидких и твердых отходов (промышленные, городские и другие сточные воды, судовые сбросы, дампинг грунтов и т. д.), вынос загрязняющих веществ, особенно реками, в прибрежную зону с терригенным стоком; атмосферный перенос и выпадение аэрозольных примесей на морскую поверхность. Преобладающие потоки загрязнения идут в море с суши (непосредственно или через атмосферу), основная же их масса (более 90%) распределяется в узкой полосе прибрежных вод [8].

Токсичные вещества по характеру действия относят к ядам различного механизма действия. Так, по типу действия различают следующие группы ядов:

- локального действия (кислоты, щелочи, соли металлов, формальдегид, детергенты);

- ферментные (фтор, цианиды, мочевина, меркаптаны);

- протоплазматические (фосфорорганические соединения, цианиды, фториды, азиды, детергенты, меркаптаны);

- гемолитические (свинец, цианиды, селен, фосфорорганические соединения, токсины синезеленых водорослей);

- нервно-паралитические (аммиак и амины, СО2, щелочные и щелочноземельные металлы, фтор, нефтепродукты, фенолы, хлорорганика и другие неэлектролиты);

- наркотические (органические растворители, хлорорганика, кетоны, альдегиды и другие неэлектролиты) [2].

В эффекте каждого чужеродного агента могут проявляться симптомы почти всех типов токсического действия. Так, тяжелые металлы могут быть отнесены к ядам локального действия, ферментным, гемолитическим и т. д. Фториды могут быть отнесены к ядам ферментного, прото-плазматического, нервно-паралитического действия.

Вещества, поступившие в водную среду, немедленно вовлекаются в цепь разнообразных перемещений и превращений под влиянием многочисленных факторов. При этом происходят процессы физические (механическое перемешивание, осаждение, адсорбция и десорбция, улетучивание, фотолиз) и химические (диссоциация, гидролиз, комплексообразование, окислительновосстановительные реакции).

Наряду с изменениями вещества под влиянием факторов абиогенной природы проходят важные превращения, связанные с присутствием живых организмов, т. е. биологические (поглощение живыми организмами, разрушение и превращение с участием ферментов и метаболитов), а также геологические (захоронение в донных осадках и породообразование). Основную роль в биогенном превращении играют микроорганизмы. Они населяют водную среду, донные осадки и полости макроорганизмов. Однако процессы жизнедеятельности самих макроорганизмов также вовлекаются в общий процесс преобразования веществ в экосистеме.

Вещества могут поступать в организм разнообразными путями: растворенные вещества -через поверхность клеток у одноклеточных и растительных организмов, через поверхность тела или жабры (у многоклеточных животных). Препятствием для поглощения через поверхность тела служат чешуя рыб, раковины и панцири беспозвоночных. Взвешенные вещества могут поступать преимущественно через органы питания как у простейших, так и у многоклеточных представителей водной фауны. В зависимости от условий среды может преобладать тот или иной путь.

Муцин слизи активно связывает некоторые вещества, в особенности тяжелые металлы, накапливая их, таким образом, на поверхности тела. Как у одноклеточных, так и у многоклеточных организмов тот или иной орган служит преимущественным путем поступления вещества через поверхность. К примеру, преимущественное накопление свинца водорослью Platymonas subcordiformis происходит через жгутики. Лишенные жгутиков особи накапливали металла гораздо меньше, чем нормальные клетки. Дафнии способны накапливать вещества особенно активно через поверхность антенн [2].

Часть молекул чужеродного вещества, попавшего в организм, может быть не связанной с нейтральными молекулами внутри клеток или не пройдет своевременно процесс детоксикации. Такие молекулы могут вступить во взаимодействия, которые повлекут за собой нарушение нормальной деятельности как отдельных клеток, так и всего организма.

При воздействии любого вещества могут развиваться одновременно несколько деструктивных процессов. Относительный вклад каждого из них в общий патогенез изменяется в зависимости от условий среды и свойств организма. Кроме того, свой негативный вклад в общую картину патогенеза могут вносить неадекватные или извращенные адаптивные реакции организма.

Действие токсикантов, находящихся в воде, может оказывать влияние на разные уровни биосистем. Так, на молекулярном уровне происходит повреждение молекул, структур и ферментов, расход энергоресурсов и веществ, участвующих в детоксикации и адаптации. На клеточном уровне наблюдается нарушение проницаемости, разрушение структур, повышение расходования энергии, подавление синтеза, расходование вещества, нарушение регуляции синтеза, автолиз клетки, нарушение общей регуляции и наследуемой информации. При нарушении пищеварительной функции органов и тканей может возникать отказ от корма, ухудшение его усвоения; дыхательной функции - переход на анаэробный обмен, гипоксия; выделительной - патология органов выделения; нервной - нарушение регуляции и инстинктов; репродуктивной - снижение образования половых продуктов; защитной - снижение сопротивляемости организма. На орга-

низменном уровне происходят замедление роста, стресс, разные формы патологии, снижение или прекращение воспроизводства и смерть. На популяционном уровне идет снижение численности, конкурентоспособности вида, его способности адаптироваться к условиям. В сообществе происходит перестройка и сокращение видового разнообразия. В целом в экосистеме нарушается преобразование вещества и энергии, упрощаются структура и функции [2].

Гибель организма может наблюдаться в зависимости от концентраций токсического агента. Так, при высоких концентрациях возможна быстрая гибель организма в результате поражения центральной нервной системы. При средних концентрациях уровень поражения нервной системы организма может оказаться недостаточно высоким для того, чтобы вызвать его гибель, но в более поздний период может сформироваться летальное нарушение органов пищеварения. При хроническом воздействии малых концентраций, в свою очередь, может не реализоваться губительное поражение центральной нервной системы или пищеварительных органов, но в более поздний период возможно появление новообразований, приводящих к гибели, мутации, а также снижению плодовитости.

К отдаленным последствиям токсического воздействия относят такие изменения в морфологии или процессах жизнедеятельности организма, которые формируются при кратковременной экспозиции или в присутствии малых концентраций за сроки, сопоставимые с естественной продолжительностью его жизни. Такие последствия связывают главным образом с влиянием токсикантов или продуктов их превращения на наследственные структуры клеток за счет нарушений нуклеотидного обмена или образования мутаций. Они реализуются в форме иммунодепрессивного (подавление иммунитета), тератогенного (появление уродств развития), блас-томогенного (появление новообразований) эффектов. Мутагенным действием обладают тяжелые металлы, нитриты, алкилирующие агенты, промышленные растворители, полицикли-ческие компоненты нефти.

Важную роль в канцерогенезе отводят простым хлорорганическим соединениям, образующимся при водообработке - четыреххлористому углероду, 1,2-дихлорэтану, гептахлору, трихлор-этилену, винилхлориду. Большинство из отмеченных соединений встречается в водных экосистемах в качестве компонентов антропогенного загрязнения. Отмечается взаимосвязанность частоты встречаемости различных новообразований у рыб и других гидробионтов с уровнем загрязнения водных объектов субстанциями, обладающими потенциальной канцерогенной активностью. У рыб обнаруживаются опухоли печени, желудка, аденома печени и поджелудочной железы, гиперплазия хроматофоров, гепатоцеллюлярный рак, эпидермальные кисты, фибромы, саркомы, лимфосар-комы, лейомиомы, папилломы полости рта, кожные эпителиомы. У моллюсков наблюдаются опухоли кроветворной системы, герминомы, папиллярные эпителиомы мантии [9].

Итогом загрязнения водоемов является деградация их экосистем, т. е. обеднение сообществ видами, ухудшение флоры и фауны с точки зрения пригодности для человека, уменьшение промысловой продукции и снижение ее качества, ухудшение качества воды для питьевого и рыбохозяйственного пользования.

Решающее значение для исхода токсического воздействия имеют уровень и режим изменения таких абиогенных факторов окружающей среды, как температура, освещенность, концентрация биогенных элементов и ионов в воде. Режим изменения этих факторов, в свою очередь, зависит от состояния и функционирования биоты. Чужеродные молекулы могут нарушать систему экологических взаимоотношений. Помимо изменения реагирования организмов на абиогенные факторы окружающей среды возможно вмешательство загрязняющих веществ в контакт гидробионтов через экзометаболиты.

С одной стороны, изменения в судьбе отдельных особей гидробионтов, спровоцированные присутствием токсичного агента в среде, трансформируются в нарушения экологического масштаба. Повышенная смертность в популяции каждого индивида или снижение плодовитости приводят к сокращению относительной численности популяции и снижению ее роли в биологическом сообществе водоема. Измельчание членов популяции без повышения плодовитости приводит к сокращению биомассы популяции и соответственно к ослаблению роли трофического звена в экосистеме. Подобные изменения на фоне естественных экологических взаимоотношений (хищничества, конкуренции) будут далее трансформироваться в перестройки биоценоза в целом.

С другой стороны, и существование естественных экологических взаимоотношений может модифицировать исход токсического воздействия на организм. Нарушение координации, спад двигательной активности снизят способность организма конкурировать за пищу или избегать

хищников. В связи с этими и другими экологическими влияниями в загрязняемом водоеме вполне вероятно более быстрое вымирание популяции гидробионтов.

В то же время виды, малочувствительные к токсическому воздействию на организмы, могут получить дополнительные преимущества в экологической конкуренции и станут заполнять освободившиеся экологические ниши. Их популяции могут существенно приумножаться, создавая видимость процветания. Не исключено, однако, что со временем и эти процветающие популяции постигнет судьба их исчезнувших конкурентов из-за накопления в особях токсиканта до критических уровней или истощения кормовой базы.

В результате воздействия токсического фактора экосистема переходит из одного состояния в другое, а через некоторое время может стабилизироваться в этом новом состоянии. Итогом перестройки оказывается смена доминирующих видов, изменение трофических связей, упрощение структуры сообщества и пр. При сокращении общего числа видов в сообществе может возрастать число особей отдельных видов. Обычно большему токсическому воздействию в экосистеме подвержены организмы более высоких трофических уровней, так как эти организмы подвергаются не только прямому влиянию вещества, но и косвенному влиянию через связанные с ними организмы более низких уровней. В каждой из экологических групп преимущество получают главным образом мелкие или короткоживущие виды. Доминирование мелких видов в условиях загрязнения объясняют исчезновением хищников, в обычных условиях выедающих их, а также более высокой способностью мелких видов с коротким жизненным циклом адаптироваться к новым условиям [2].

Проблемы водной токсикологии становятся очень актуальными на Камчатке. Живые организмы, обитающие во внутренних и внешних водоемах полуострова, будут подвергаться дополнительному токсикологическому прессу в связи с добычей полезных ископаемых на суше и нефти на Западно-Камчатском шельфе.

Литература

1. Остроумов С.А. О самоочищении водных экосистем // Антропогенные влияния на водные экосистемы: Материалы конф., посвященной 100-летию со дня рождения проф. Н.С. Строганова / Под ред. О.Ф. Филенко. - М.: Т-во науч. изд. КМК. - 2005. - С. 94-119.

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

3. Коновалова Г.В. «Красные приливы» и «цветение» воды в дальневосточных морях России и прилегающих акваториях Тихого океана // Биология моря. - 1999. - Т. 25. - № 4. - С. 263-273.

4. Taylor F.J.R. Red tides, brown tides and other harmful algal blooms: the view into the 1990 s // Toxic marine phytoplankton: Proc. 4th Int. Conf. - New York: Elsevier, 1990. - P. 169.

5. Biernaux J. Eutrophisation et «hypertrophisation» des eaux de surface // Ann. Gemblox. -1979. - Vol. 85. - № 11. - P. 55-64.

6. Мигас Э.А. «Красные приливы» и токсичность моллюсков // Биология моря. - 1986. -№ 1. - С. 3-9.

7. Рыжков Л.П., Артемьева Н.В., Горохов А.В. Водная токсикология и комплексная оценка природных вод // Антропогенные влияния на водные экосистемы: Материалы конф., посвященной 100-летию со дня рождения проф. Н.С. Строганова / Под ред. О.Ф. Филенко. - М.: Т-во науч. изд. КМК. - 2005. - С. 21-32.

8. Патин С.А. Антропогенное воздействие на морскую среду и биоресурсы: Методология оценок и современная ситуация // Антропогенные влияния на водные экосистемы: Материалы конф., посвященной 100-летию со дня рождения проф. Н.С. Строганова / Под ред. О.Ф. Филенко. - М.: Т-во науч. изд. КМК. - 2005. - С. 32-60.

9. Ихтиопатология / Н.А. Головина, Ю.А. Стрелков, В.Н. Воронин и др.; Под ред. Н.А. Головиной, О.Н. Бауера. - М.: Мир, 2003. - 448 с.