Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
24
Санкт-Петербургская государственная медицинская академия им. И.И.Мечникова
Военно-медицинская академия
Северо-западный региональный медицинский лечебно-диагностический центр "Бехтерев"
Экотоксикология
Учебное пособие
под редакцией профессоров А.И.Головко и А.В.Шаброва
Санкт-Петербург
1999
УДК ???????????
Головко А.И., Шабров А.В., Куценко С.А., Ивницкий Ю.Ю., Гребенюк А.Н., Смирнов Н.А., Шилов В.В., Романенко О.И. Экотоксикология / Под ред. А.И.Головко и А.В.Шаброва .- СПб., 1999 .- ????? с.
В пособии представлены основные понятия экологии и экотоксикологии. Приводятся примеры спорных толкований отдельных терминов и определений. Рассматриваются исторические аспекты становления и развития экологической токсикологии. Значительное место уделено обсуждению цели и задач современной экотоксикологии, ее основных разделов. Особое внимание авторов привлекла одна из важнейших проблем экологии - загрязнение окружающей среды. Приводятся масштабы, причины и основные последствия этого явления. Отдельная глава посвящена экологическим аспектам радиотоксикологии. Завершает пособие обзор материалов по экотоксикологическим проблемам военной деятельности человека.
Рецензенты: ????????????????????
Печатается согласно ???????????????
Головко А.И.
Санкт-Петербургская государственная медицинская академия им. И.И.Мечникова
Военно-медицинская академия
Северо-западный региональный медицинский лечебно-диагностический центр "Бехтерев", 1999
ВВЕДЕНИЕ
Стремительный научно-технический прогресс в 20 веке сопровождался столь же быстрым ухудшением состояния окружающей среды (ОС). Химическое и радиоактивное загрязнение среды обитания, хищническое истребление многих биологических видов, разрушение экосистем на огромных территориях, нерациональное использование сырьевых запасов - вот неполный перечень тех проблем, которые сопровождают активное вмешательство человека в природу. На фоне этих проблем все более явственно проступают признаки деградации самой человеческой популяции: рост онкологической заболеваемости, смертности, врожденных уродств, пандемия СПИДа и др.
Предостережения о тяжелых последствиях непродуманного влияния на ОС высказывались многими учеными. В 20 столетии оформились научные направления, разрабатывающие эти проблемы: экология, экотоксикология, биохимическая экология, радиоэкология и др. Перечень дисциплин и направлений нельзя считать законченным. Еще сложнее обсуждать цели, предмет их исследований, поскольку большинство таких наук находится на стыке нескольких дисциплин.
В соответствии с вышеизложенным в данной работе предполагается рассмотреть основные понятия и категории экологии, экотоксикологии, проблемы, стоящие перед этими науками. Существенное место займут вопросы, посвященные последствиям химического загрязнения биосферы.
1. ЭКОЛОГИЯ И ЭКОТОКСИКОЛОГИЯ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КАТЕГОРИИ.
Предостережения о негативном влиянии человеческой цивилизации на ОС высказывались многими мыслителями. Еще в 18 веке Жан Жак Руссо, знаменитый французский писатель и философ, произнес фразу: “Прогресс противоречив, а гармония невозможна.” Более определенно в начале 19 века высказался другой француз - естествоиспытатель Жан Батист Ламарк: “Человек, ослепленный эгоизмом вследствие беззаботного отношения к будущему и равнодушия к себе подобным, способствует уничтожению средств к самосохранению и тем самым - истреблению своего вида. Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека как бы заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания.”
Остановимся на основных понятиях и категориях рассматриваемой проблемы.
Термин “Экология” был предложен в 1866 г. немецким биологом-эволюционистом Эрнстом Геккелем (от греч. “ойкос” - дом, жилище, место обитания и “логос” - учение). Он понимал экологию как науку, изучающую взаимоотношения животного с окружающей его средой, как органической, так и неорганической. В современном понимании, экология - это наука об отношениях организмов или групп организмов к окружающей их среде или наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. И.И.Дедю (1990) полагает, что экология - синтетическая биологическая наука о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания. Основной предмет экологии - изучение совокупности живых организмов, взаимодействующих друг с другом и образующих с ОС некое единство (т.е. систему), в пределах которого осуществляется процесс трансформации энергии и органического вещества. Основная задача экологии - изучение взаимодействия энергии и материи в экологической системе. Односторонний приток энергии и циркуляция химических веществ - два основных закона общей экологии.
Если представить биологические системы в виде совокупностей биотических и абиотических компонентов, через которые проходят потоки энергии и веществ, то областями изучения экологии могут считаться уровни организации от организмов до экосистем (рис. 1).
Экология основывается на разных отраслях биологии (физиология, радиобиология, биохимия, генетика, биофизика, токсикология и др. ). Она связана и с небиологическими науками (физика, химия, геология, математика и др.). Соответственно, введены понятия “географическая экология”, “химическая экология”, “математическая экология” и т.д.
Кроме того, экология классифицируется по конкретным объектам и средам исследования: экология человека и животных, экология микроорганизмов, водная и космическая экология и т.д.
Особое положение занимает экология человека - комплексная дисциплина, изучающая взаимоотношения биосферы (данное понятие обсуждается ниже) и антропосистемы, влияние природной и социальной сред на человека и группы людей.
Сообщества живых организмов, обитающих на планете, образуют с окружающей средой единство, т.е. экологическую систему, в которой осуществляется трансформация энергии и круговорот веществ. Термин “экосистема” предложен в 1935 г. А.Тенсли. Приведем несколько определений экосистемы.
Б.Небел (1993): экосистема - это совокупность различных видов растений, животных и микробов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей их средой таким образом, что вся совокупность может существовать неопределенно долгое время.
Г.Г.Матишов и Л.Г.Павлова (1994): экосистема - это структурная и функциональная единица, состоящая из взаимодействующих биотических и абиотических компонентов, через которые проходит поток энергии.
Биотическая составляющая экосистемы, биоценоз, представляет совокупность популяций различных биологических видов, занимающих определенное жизненное пространство - биотоп.
Термин “биоценоз” предложен в 1877 году немецким зоологом К.Мебиусом (не путать с немецким математиком Августом Фердинандом Мебиусом, предложившим т.н. ленту Мебиуса).
Под биоценозом Мебиус понимал объединение живых организмов, соответствующее по своему составу, числу видов и особей некоторым средним условиям среды. Объединение, в котором организмы связаны взаимной зависимостью, и сохраняются благодаря постоянному размножению в определенных местах.
Согласно французскому ученому Р.Дажо (1975), биоценоз - группировка живых организмов, объединенных притяжением не взаимного характера, которое оказывают на них различные факторы внешней среды; эта группировка характеризуется определенным видовым составом и наличием взаимосвязей; биоценоз занимает пространство, именуемое биотопом.
Как видно, во многих определениях упоминается и то пространство, которое занимает биоценоз. Биотоп - географический район различной площади или объема, преобладающие условия которого отличаются однородностью (Peres, 1961). И.И.Дедю (1990) дает такое определение: биотоп - естественное, относительно однородное жизненное пространство определенного биоценоза. Он включает минеральные и органические вещества, климатические факторы, свет, давление, влажность, рН среды, субстрат (почва, вода, атмосфера, дно водоема).
Таким образом, единство биоценоза и биотопа может быть представлено как экосистема (рис. 2). Иногда экосистему называют биогеоценозом (Дедю И.И.,1990). Но некоторые авторы трактуют понятие биогеоценоз иначе.
В экологической литературе часто используют термины “биота” и “популяция”. Биота - исторически сложившаяся совокупность флоры, фауны и микроорганизмов (не всегда экологически связанных в отличие от биоценоза), населяющих какую-либо определенную территорию (Дедю И.И., 1990). Популяция - совокупность особей вида с общими условиями, необходимыми для поддержания его численности на определенном уровне в течение длительного периода и с известными свойствами, определяющими единство особей (например, общность ареала и происхождения, сходство морфологических и других признаков, свободное скрещивание). Термин введен в экологию в 1903 г. В.Л.Йогансеном.
Популяцию можно рассматривать и как совокупность особей одного вида, живущих на территории, границы которой обычно совпадают с границами биоценоза, включающего данный вид.
А.А.Тишков (1986), С.С.Шварц (1976) понимают под популяцией устойчивую внутривидовую группировку особей, объединенных территориально, имеющих единый жизненный цикл, а применительно к животным с перекрестным оплодотворением - и единый генофонд, в какой-то мере репродуктивно изолированную от других аналогичных группировок и обладающую способностью к гомеостазу в изменяющихся условиях существования.
Широко используются в экологии такие понятия, как “биосфера”(термин предложен в 1875 г. Э.Зюссом), “окружающая среда” и “природная среда”.
Согласно учению В.И.Вернадского, биосфера - это оболочка Земли, включающая как область распространения живого вещества, так и само это вещество. При этом между названными компонентами существуют тесные взаимодействия. Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть земной коры), в гидросфере (Мировой океан, озера, реки, болота), а также в тропосфере (нижние слои атмосферы). Верхней границей биосферы является озоновый слой на высоте 20-25 км. Нижняя граница биосферы распространяется на 2-3 км ниже поверхности суши и на 1-2 км ниже дна океана. К биосфере относят человеческое общество и его производство.
Суммарная масса живых организмов Земли (биомасса) составляет около 2,4 . 1012 тонн. Подавляющая часть биомассы сосредоточена на суше (табл. 1).
Биомасса Земли состоит из фитомассы, зоомассы и бактериомассы. Фитомасса в бассейне реки Амазонки - более 10000 ц/га; во влажнотропических лесах - более 6500 ц/га; в широколиственных лесах - 4000-4500 ц/га; в таежных лесах - до 3000 ц/га; в тропических пустынях - 15-20 ц/га.
Возраст биосферы составляет, по-видимому, не менее 3,5-4,5 млрд. лет. При этом антропогенный период составляет ничтожную долю в истории Земли.
Следующим широко используемым понятием является “окружающая среда” . Ее рассматривают как совокупность всех материальных тел, сил и явлений природы, ее вещество и пространство, любую деятельность человека. Окружающая среда - это совокупность абиотической , биотической и социальной сред, совместно оказывающих влияние на человека и его хозяйство.
Следовательно, окружающая среда - это все то, что окружает человека и взаимодействует с ним самыми различными путями и способами, это среда обитания человека, включающая природные и искусственно созданные факторы, а также факторы социально-экономического и психологического характера.
Таблица 1.
Биомасса сухого вещества живых организмов Земли (по Н.И.Базилевичу и соавт., 1971)
|
СФЕРА |
Оценочные характеристики |
||
|
Масса, 1.1012, т |
Масса, % |
Масса в целом, % |
|
|
Суша: растения животные Итого: |
2,40 0,02 2,42 |
99,2 0,8 100 |
99,87 |
|
Океан: растения животные и микроорганизмы Итого: |
0,0002 0,003 0,0032 |
6,3 93,7 100 |
0,13 |
|
ВСЕГО |
2,4232 |
- |
100 |
Понятие “природная среда” является более узким. Оно включает в себя совокупность абиотических и биотических сред, совместно оказывающих влияние на людей и их хозяйство (Измалков В.И., 1994).
Экосистема, являющаяся основной функциональной единицей живой природы, чаще всего становится объектом изучения в современной экологии. Среди естественных экосистем выделяют наземные (тундра, леса, степи, пустыни и т.д.), пресноводные (стоячие воды, текучие воды, болота), морские экосистемы (открытый океан, прибрежные воды, плодородные районы с продуктивным рыболовством, прибрежные бухты, устья рек и т.д.).
Известно, что моря и океаны покрывают 71% поверхности Земного шара - около 361 млн. км2; суша - около 29% (приблизительно 149 млн. км2). Таким образом, на океаны ежегодно приходится 3,6 . 1020 кал солнечной энергии, а на сушу - 1,4 . 1020 ккал. Среди наземных экосистем на первом месте стоят леса - 28-30% от площади суши. Степи, луга, пастбища - до 17%. До 20% приходится на пустыни. На сельскохозяйственные угодья и ледники - приблизительно по 10%. Горы занимают около трети суши.
В качестве искусственных экосистем можно привести аквариум. Искусственные экоситемы все шире используются в научных исследованиях.
Экосистемы отличаются динамичностью и стабильностью. Это обеспечивается непрерывным обменом энергии и веществ. “Перетекание” энергии и химических веществ происходит вдоль пищевых цепей. Чем больше биомасса популяций, тем ниже должен быть занимаемый ею трофический уровень, то есть на концах пищевых цепей биомасса популяции наименьшая.
Функционирование экосистем обеспечивается за счет энергии солнца, поскольку количество тепла, идущего от раскаленных недр Земли ничтожно. Общее количество энергии, поступающее на нашу планету за год оценивают в 5 . 1020 ккал , или 15,3.108 ккал/м2/год, что в 15000 раз больше современного производства энергии. Значительная часть энергии отражается атмосферой - 30%; 50% поглощается планетой, превращается в тепло и вновь излучается в пространство; 20% участвует в гидрологическом цикле (Петрович А.П., Уткин В.И., 1993). Земля получает лучи с длиной волны от 0,001 нм до нескольких тыс. м.
Поверхности достигают только видимые лучи, l=390-770 нм (50% от суммарной радиации), незначительное количество ультрафиолетовых излучений (УФИ с l менее 295 нм поглощаются озоном), инфракрасные лучи (с длиной волны до 2,4 . 103 нм), а также радиоволны с l более 105 нм.
Среднее количество энергии, доступное растениям, зависит от географической широты: в Англии - 2,5 . 108 ккал/м2/год, в штате Мичиган - 4,7. 108 ккал/м2/год, в штате Джорджия - 6,0 . 108 ккал/м2/год (Дажо Р., 1975). Для фотосинтеза растения используют ничтожную часть падающей на них солнечной энергии - около 0,5%, либо еще меньше (см. ниже).
Количество органического вещества, вырабатываемое экосистемой за единицу времени, называется продуктивностью. Наибольшей продуктивностью обладают экосистемы лесов, болот, прибрежных мелководных лиманов, широкие устья рек, заливные луга.
Общая первичная продуктивность биосферы оценивается в 61 млрд. т органических веществ в год (Дажо Р., 1975) . По мнению некоторых ученых, эта цифра может быть значительно большей. Основным компонентом органического вещества является углерод. На леса приходится приблизительно 20 млрд. т годовой продуктивности. Океан производит не менее 30 млрд. т.
Если ориентироваться на продуктивность, равную 61 млрд. т, то ее энергетический эквивалент составляет 2,5 . 1017 ккал. Продуктивности, равной 100 млрд. т, соответствует 4.1017 ккал. Расчет эффективности фотосинтеза заключается в соотнесении энергетического эквивалента годовой продуктивности к солнечной постоянной. По мнению А.П.Петровича и В.И. Уткина (1993), лишь около 0,06% приходящей солнечной радиации используется для фотосинтеза. Несмотря на кажущуюся низкую эффективность фотосинтеза, она намного выше возможностей химической промышленности планеты, производящей около 10 млрд. т химических веществ в год (Дажо Р., 1975).
Любая экологическая система подвержена воздействию ряда факторов. Обычно их делят на две категории: 1) факторы неживой природы (абиотические); 2) факторы живой природы (биотические). Совокупность множества параметров окружающей среды, определяющих возможность существования того или иного вида, называют экологической нишей. Экологическая ниша включает не только биотические и абиотические факторы, но и пространственные характеристики, обеспечивающие жизнь и воспроизводство данного вида или его популяции. В таблице 2 представлены основные экологические факторы.
Наиболее значимыми антропогенными факторами считаются следующие: расхищение естественных богатств, истребление видов и разрушение экосистем, хозяйственная деятельность и загрязнение биосферы.
По мнению Барри Коммонера (1974), экосистема всегда разрушается извне:
- человек вырывает из экосистем компоненты, представляющие экономическую ценность (рыба, лес, другие ресурсы);
- человек может искусственно увеличить какой-то компонент экосистемы извне, что также неблагоприятно;
- человек может вводить в экосистему совершенно чуждые ей вещества (пластмассы, пестициды, тяжелые металлы и др.).
Антропогенное загрязнение окружающей среды является наиболее негативным последствием развития человеческой цивилизации. Изучение эффектов химических веществ на популяции организмов и биоценозы стало предметом отдельной науки - экологической токсикологии .
Термин “экотоксикология” введен в 1969 г. в Международном научном комитете по проблемам окружающей среды. В этом же комитете в 1978 г.
Таблица 2.
Классификация экологических факторов среды (Пономарева И.Н., 1975)
|
АБИОТИЧЕСКИЕ |
БИОТИЧЕСКИЕ |
|
Климатические: свет, температура, влага, движение воздуха, давление |
Фитогенные: растительные организмы |
|
Эдафогенные (от слова “эдафос” - почва): механический состав, влагоемкость, воздухо- проницаемость, плотность |
Зоогенные: животные |
|
Орографические (от слова “орография” - опи-сание элементов рельефа): рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона |
Микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии, риккетсии |
|
Химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов |
Антропогенные: деятельность человека |
предложено считать термин официальным. Первое упоминание об экотоксикологии в научных публикациях сделано в 1969 г. Truhaut (цит. по F.Moriarty, 1983). Данное направление предложено рассматривать как естественное ответвление токсикологии (науки об изучении воздействия ядов на индивидуальные организмы) в сторону экологических эффектов поллютантов. То есть, токсикология рассматривает эффекты ксенобиотиков на отдельный организм, а экотоксикология - его действие на экосистемы. Ксенобиотик может оказывать смертельное воздействие на индивидуальные организмы, но не иметь экологического значения. Нередко наблюдается обратная картина: малотоксичный поллютант является экотоксикантом.
По современным представлениям, экотоксикология - это международное научное направление, связанное с изучением токсических эффектов химических веществ на живые организмы, преимущественно на популяции организмов и биоценозы, входящие в состав экосистем. Она изучает источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их распространение в окружающей среде, действие на живые организмы. Человек - высшая ступень в ряду биологических мишеней (Безель В.С., Большаков В.Н., 1995). Экотоксикология оперирует как категориями общей экологии (экосистема, биоценоз, биотоп, биосфера и др.), общей токсикологии (яд, токсичность, опасность, токсический эффект и др.), так и собственными терминами (токсикант, экотоксикант, поллютант, суперэкотоксикант и др.).
Термин “токсикант” , по-видимому, может быть приравнен к понятию “яд”. Чрезвычайно токсичные и опасные яды не всегда относятся к экотоксикантам. К примеру, не считаются экотоксикантами зарин, зоман, фосген, синильная кислота и другие отравляющие вещества. В то же время, диоксид углерода, являющийся составной частью атмосферного воздуха, приобретает все более важное экологическое значение (парниковый эффект). Поэтому к экотоксикантам целесообразно относить лишь те химические соединения, которые прямо или косвенно могут влиять на состояние популяций и биоценозов. Часто используют сходное понятие “поллютант, экополлютант” - вещество, встречающееся в окружающей среде, по крайней мере отчасти вследzствие деятельности человека, и которое оказывает вредное действие на живые организмы (Moriarty F., 1983). Экополлютант, накопившийся в среде в количестве, достаточном для инициации неблагоприятных эффектов в биоценозе (на любом уровне организации), может быть обозначен, как экотоксикант. В системе оценки экологического риска любое воздействие, будь то химический фактор или энергетическое поле, вызывающее изменения в биологических системах, как позитивные, так и негативные, называются стрессором. В этом смысле любой экотоксикант - несомненно стрессор.
F. Moriarty (1983) предлагает делить поллютанты на 2 группы:
- поллютанты, продуцируемые в количествах, при которых не проявляется прямой эффект на живые организмы, но при которых нарушаются химические и физические параметры окружающей среды. Это может повлиять на выживаемость видов. Пример: повышение концентрации СО2 в атмосферном воздухе -----> парниковый эффект -----> потепление -----> изменение климата, повышение уровня Мирового океана, возрастание темпов опустынивания сельскохозяйственных земель;
- токсичные экотоксиканты: SО2 и другие оксиды серы закисляют почвы, воды. Они имеют отношение к кислотным дождям. Более подробно о газах, загрязняющих атмосферный воздух, речь пойдет ниже.
В тех случаях, когда экотоксиканты обладают высокой стойкостью (персистентностью), медленно метаболизируются в организмах, накапливаются в них (кумуляция), способны мигрировать в окружающей среде и по пищевым цепям, говорят о суперэкотоксикантах . К таковым относят хлорорганические пестициды, диоксины (в том числе ТХДД - тетрахлордибензопарадиоксин), тяжелые металлы.
В целом при эколого-токсикологической оценке вещества учитываются несколько характеристик:
- количество вещества, поступающего в окружающую среду;
- стойкость в почве, воде, растениях, воздухе;
- подвижность вещества (миграция в окружающей среде);
- способность к накоплению в биологических объектах;
- токсичность поллютанта окружающей среды для живых организмов (Спыну Е.И., Бейм А.М., 1986).
Количество токсиканта, поступающего в окружающую среду, не всегда имеет решающее значение при отнесении его к тому или иному классу загрязнителей. Например, тетрахлордибензопарадиоксин является побочным продуктом химической промышленности. Однако необычайная стойкость, токсичность и способность накапливаться в биоте позволяют отнести данный яд к суперэкотоксикантам.
В зависимости от уровня организации системы, на котором она изучается в рамках экологии принято выделять три раздела (Г.В. Стадницкий, А.И. Родионов, 1996):
- аутэкологию - описание экологических эффектов на уровне организма;
- демэкологию - экологические эффекты на уровне популяции;
- синэкологию - эффекты на уровне биоценоза.
В этой связи неблагоприятные эффекты, изучаемые в рамках токсикологии окружающей среды также целесообразно рассматривать на трех уровнях:
- на уровне организма (аутэкотоксикологические) - могут проявляться гибелью организма, заболеваниями, снижением резистентности к другим действующим факторам среды, понижением активности, канцерогенезом, нарушениями репродуктивных функций, тератогенезом и т.д.
- на уровне популяции (демэкотоксикологические) - проявляются гибелью популяции, ростом заболеваемости, смертности, уменьшением рождаемости, увеличением числа врожденных дефектов развития, нарушением демографических характеристик (соотношение возрастов, соотношение полов), изменением средней продолжительности жизни, культурной деградацией и т.д.
- на уровне биоценоза (синэкотоксикологические) - изменением популяционного спектра ценоза, вплоть до исчезновения отдельных видов и появления новых, не свойственных данному биоценозу, нарушением межвидовых взаимоотношений и т.д.
Основным предметом экотоксикологии следует считать изменения вызываемые вредными веществами в биологических системах надорганизменного уровня. Токсические эффекты молекулярно-генетического, клеточно-тканевого и онтогенетического уровней, реализуемые в растительных и животных организмах через разнообразие физиологических, биохимических, функциональных нарушений, рассматриваются в экотоксикологии в качестве первичных токсических эффектов, имеющих следствием нарушения популяционных механизмов. Ответ экосистемы на химические загрязнения неспецифичен: изменения продуктивности, соотношения видов и т.д. Такие же изменения возможны под влиянием и иных, не химических факторов (Безель В.С., Большаков В.Н., 1995).
Цель экотоксикологии - обоснование мероприятий по профилактике вредных воздействий химических загрязнителей внешней среды, создание благоприятных условий для жизни и деятельности человека, развития и функционирования организмов животного и растительного происхождения.
Главными задачами экотоксикологии , по мнению И.И.Барышникова и соавторов (1991), следует считать:
- оценку опасности для здоровья человека отдельных химических загрязнителей, а также изменений в окружающей среде, вызванных этими загрязнителями;
- оценку опасности загрязнения для экосистемы в целом и для отдельных ее элементов;
- определение источников опасных загрязнителей;
- использование полученных данных для уменьшения неблагоприятного воздействия загрязнения, для разработки необходимых мероприятий, направленных на улучшение состояния биосферы и здоровья населения.
Важнейшие научно-практические проблемы современной экотоксикологии (Безель В.С., Большаков В.Н., 1995):
- устойчивость экосистем. Пока нет конкретного решения указанной проблемы вследствие необычайного множества связей в экосистемах. При этом связи чаще носят нелинейный характер. Перспективным представляется компьютерное моделирование;
- понятие экологической нормы. Экосистема может существовать в нескольких состояниях, что усложняет определение нормы. Затруднения привносит субъективный подход, т.е. формирующийся на антропоцентристской позиции, требующей максимального удовлетворения потребностей человека. Наиболее характерный показатель нормы биологической системы - способность поддерживать условия оптимума, т.е. адаптивный потенциал системы. Подробнее проблемы экологического нормирования рассматриваются в разделе 4;
- адаптация экологических систем к токсическому воздействию. Выделяют 3 уровня адаптации. Во-первых, приспособительные реакции индивидуального организма. Во-вторых, это приспособительные реакции надорганизменного уровня. Чаще это касается одного-двух компонентов экосистемы. Третий уровень адаптации - процесс адаптивной микроэволюции. При длительном токсическом воздействии на популяцию (десятки-сотни поколений) через несколько промежуточных этапов со снижением продуктивности и численности популяция восстанавливает численность. Но это уже новая экологическая норма;
- пространственно-временная неоднородность экосистем. Этот фактор может ослаблять опустынивающий эффект какого-то источника химического загрязнения за счет особей, живущих на достаточно “чистых” участках.
И.И.Барышников и соавторы (1991) полагают, что основными методами экотоксикологии следует считать биоиндикацию (оценка качества окружающей среды - см. подраздел “Загрязнение литосферы”) и биотестирование (т.е. экспериментальное изучение токсических эффектов), а также мониторинг состояния здоровья человека. Важное значение сохраняют методы по изучению механизмов токсического действия, оценка соотношения “доза - эффект”, определение токсикантов в объектах окружающей среды, живых организмах и т.д.
При выяснении изменений в состоянии биологических систем под влиянием ядов следует учитывать, что реагирование систем более высокого ранга происходит на фоне больших концентраций токсоагента (см. рис. 3).
Видно, что реакция на молекулярно-клеточном уровне (в данном случае это степень ингибирования фермента; рис. 3А) происходит при минимальной концентрации яда, в то время как для деградации биоценоза требуются значительно большие уровни воздействия (рис. 3Г). Пороговые значения концентраций выстраиваются в следующий вариационный ряд: С1<С2<С3<С4 (Безель В.С., Большаков В.Н., 1995).
Последнее обстоятельство может затруднять экотоксикологические исследования, поскольку в экологическом мониторинге часто используется молекулярно-клеточный уровень оценки токсического эффекта.
Изучение реагирования надорганизменных биологических систем на воздействие химических факторов обычно включает оценку адаптационных перестроек (морфологическая, функциональная, биохимическая и поведенческая адаптация). По мнению многих специалистов экотоксикологов, нарушения поведения животных при воздействии токсоагентов следует рассматривать как важный источник информации. Вместе с тем, зачастую сложно определить, сколько же должно быть диагностических показателей для характеристики состояния популяции, или сколько должно быть видов-индикаторов для характеристики биоценоза (Безель В.С., Большаков В.Н., 1995).
Ценным источником информации для экотоксикологов остаются хронические затравки экспериментальных животных, установление ПДК вредных веществ. При этом нередко используются методы экстраполяций, учитываются внутри- и межвидовые взаимосвязи, влияние абиотических факторов и т.д.
Определение острой токсичности в экотоксикологических исследованиях вряд ли имеет смысл без учета физико-химических свойств, стойкости ксенобиотика, возможности его поступления в окружающую среду, перемещения по пищевым цепям (т.е. оценка ксенобиотика в качестве токсиканта-экотоксиканта-суперэкотоксиканта). Однократное использование яда при тестировании для экотоксикологии малоэффективно. Путь введения может быть только естественный. Преимущественно используется многократное введение в минимальных дозах. Оценка токсичности по тесту летальности может быть значимой, но все же предпочтение отдается выявлению генотоксичности, тератогенного, эмбриотоксического, иммунотоксического действия, способности агента вызывать аллергию, нарушения поведения.
Все чаще осуществляются дорогостоящие полевые испытания конкретной экологической системы с определением многочисленных параметров окружающей среды и характеристик биоценоза. Такие исследования возможны и в искусственно созданной экосистеме при хронической дозированной нагрузке. Ценная информация может быть появиться при оценке данных, получаемых с деградированных территорий. Важное место в таких исследованиях занимает компьютерное моделирование.
Таким образом, основные методические подходы экотоксикологии состоят:
- в полевых исследованиях конкретных территорий, подверженных химическому загрязнению;
- в экспериментальном изучении механизмов токсического действия на компоненты природных биоценозов;
- в теоретической разработке концепции устойчивости природных систем (Безель В.С., Большаков В.Н., 1995).
В настоящее время происходит формирование новой учебной дисциплины - токсикологии окружающей среды.
Токсикология окружающей среды - это раздел науки, в рамках которого изучаются неблагоприятные эффекты, развивающиеся в экосистемах (включая популяции человека) в результате изменений естественного ксенобиотического профиля среды.
Ксенобиотический профиль среды - это количественная и качественная характеристика спектра ксенобиотиков, т. е. чужеродных биологическим системам веществ, содержащихся в окружающей среде (воде, почве, воздухе и живых организмах) в форме (агрегатном состоянии), позволяющей им вступать в химические и физико-химические взаимодействия с абиотическими и биотическими элементами биоценоза (экосистемы). В строгом смысле химические вещества, фиксированные в твердых, не диспергируемых в воздухе и нерастворимых в воде объектах (скальные породы, твердые промышленные изделия, стекло, древесина, пластмасса и др.) не являются элементами ксенобиотического профиля среды.
В зарубежной литературе токсикологию окружающей среды принято подразделять на два направления: экотоксикологию и токсикологию экополлютантов. Экотоксикология рассматривает проблемы, связанные с особенностями взаимодействия ксенобиотиков с биотическими (животный и растительный мир) и абиотическими элементами природы. Экотоксикология изучает генез неблагоприятных эффектов загрязнителей на самые разнообразные виды живых организмов (от микроорганизмов, до высших животных), как правило, на уровне популяций или даже экосистемы в целом. Токсикология экополлютантов изучает неблагоприятное действие изменения ксенобиотического профиля среды и отдельных экополлютантов, накапливающихся в окружающей среде, на здоровье человека. Токсикология экополлютантов использует методы классической токсикологии: экспериментальный, клинический, эпидемиологический. Объектом исследований при этом являются механизмы, динамика развития, проявления неблагоприятных эффектов действия токсикантов и продуктов их превращения в окружающей среде на человека.
Как следует из рассмотренных определений, методические различия между этими двумя направлениями стираются, когда перед исследователем ставятся задачи оценить опосредованное действия экополлютантов на человеческие популяции или, напротив, выяснить интимные механизмы действия ксенобиотиков, находящихся в среде, на представителей определенного вида живых существ.
Экотоксикологию, как и прочие разделы токсикологии можно рассматривать в рамках трех разделов: экотоксикокинетика, экотоксикодинамика, экотоксикометрия.
Экотоксикокинетика - раздел экотоксикологии, рассматривающий судьбу ксенобиотиков (экополлютантов) в окружающей среде (закономерности поступления - источники, распределения в элементах окружающей среды - абиотических и биотических, превращение ксенобиотика в среде обитания вида, элиминации из среды).
Экотоксикодинамика - раздел экотоксикологии, рассматривающий конкретные механизмы формирования проявлений, последствий неблагоприятного действия ксенобиотического профиля среды на биоценоз и отдельные виды, его составляющие.
Экотоксикометрия - наименее разработанный раздел токсикологии окружающей среды. Помимо классических токсикометрических исследований, являющихся базой экотоксикометрии, исследователь (и практик) располагает в настоящее время лишь далекой от совершенства методологией оценки экологического риска.
Экотоксикокинетика
Формирование ксенобиотического профиля. Источники поступления поллютантов в среду
Мир состоит из химических веществ. Абиотические и биотические элементы того, что мы называем окружающей средой - все это сложные, порой особым образом организованные агломераты, смеси бесчисленного количества молекул. Однако с позиций экотоксикологии интерес представляют лишь молекулы, способные взаимодействовать друг с другом в абиотической фазе и действовать (немеханическим путем) на биоту (обладающие биодоступностью). Как правило это соединения, находящиеся в газообразном или жидком состоянии, форме водных растворов, свободные молекулы адсорбированные на частицах почвы и различных поверхностях, наконец твердые вещества, но в виде мелко дисперсной пыли (размер частиц менее 10 мкм). Если вещества, находящиеся в указанных формах поступая в организм высших животных и растений тем не менее не утилизируются как источники энергии или «пластический материал», их называют ксенобиотиками (чуждые жизни).
Вся совокупность биодоступных ксенобиотиков, находящихся в окружающей среде во вполне определенных количествах, называется ксенобиотическим профилем среды. Важным элементом ксенобиотического профиля среды являются чужеродные вещества, содержащиеся в организмах живых существ, поскольку рано или поздно все они потребляются другими организмами (т.е. обладают биодоступностью).
Ксенобиотический профиль различных регионов Земли формировался, постоянно меняясь, миллионы лет. К числу природных источников ксенобиотиков, в частности тяжелых металлов и их соединений (Hg, Pb, Cd, Cr, As и т.д.), по данным ВОЗ (1992) (IPCS. Environmental Health Criteria, 134. Cadmium.-Geneva: WHO, 1992), относятся: переносимые ветром частицы пыли, аэрозоль морской соли, вулканическая деятельность, лесные пожары, биогенные континентальные частицы, биогенные континентальные летучие вещества, биогенные морские источники. Биоценозы, существующие в определенных биотопах, в той или иной степени адаптированы к этим профилям, поэтому последние и можно назвать естественным ксенобиотическим профилем данной среды. Различные естественные коллизии, а главным образом хозяйственная деятельность человека, существенным образом изменяет естественный ксенобиотический профиль. В среде накапливаются экополлютанты, нередко превращающиеся со временем в экотоксиканты.
Важнейшим элементом экотоксикологической характеристики поллютантов является идентификация его источника (источников) в среде. Решить эту задачу далеко не просто, т.к. порой поллютант поступает в среду в ничтожных количествах, иногда в виде примесей к вполне «безобидным» субстанциям; возможно образование экополлютанта в среде в результате абиотических или биотических трансформаций других веществ.
Персистирование
Многочисленные абиотические (происходящие без участия живых организмов) и биотические (происходящие с участием живых организмов) процессы в окружающей среде, направлены на элиминацию экополлютантов. В этой связи многие ксенобиотики, попав в воздух, почву, воду приносят минимальный вред экосистемам, поскольку время их воздействия ничтожно мало. Вещества, оказывающиеся резистентными к процессам разрушения, и, в следствие этого, длительно персистирующие в окружающей среде, как правило являются потенциально опасными экотоксикантами (таблица 3).
Таблица 3.
Период полуразрушения некоторых ксенобиотиков в окружающей среде
|
Поллютант |
Период полуразрушения |
Среда |
|
ДДТ ТХДД атразин бензоперилен фенантрен карбофуран фосфорилтиохолины иприт зарин |
10 лет 9 лет 25 месяцев 14 месяцев 138 дней 45 дней 21 день 7 дней 4 часа |
почва почва вода (рН 7,0) почва почва вода (рН 7,0) почва (t +15) почва (t +15) почва (t +15) |
Постоянный выброс в окружающую среду персистирующих поллютантов приводит к их накоплению. Со временем концентрация токсикантов возрастает до уровня опасного для наиболее уязвимого (чувствительного) звена биосистемы. После прекращения выброса персистирующего токсиканта он еще длительное время сохраняется в среде. Так в воде озера Онтарио в 90-е годы определяли высокие концентрации пестицида мирекс, использование которого было прекращено еще в конце 70-х годов.
В водоемах испытательного полигона ВВС США во Флориде, где в 1962 - 1964 годах был с исследовательскими целями распылен Оранжевый Агент, спустя 10 лет ил содержал 10 - 35нг/кг ТХДД (при норме, по стандартам США - 0,1пкг/кг, России - 10пкг/кг).
К числу веществ, длительно персистирующих в окружающей среде, относятся тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, никель, кадмий, кобальт, сурьма, ртуть, мышьяк, хром), полициклические полигалогенированные углеводороды (в том числе полихлорированные дибензодиоксины и дибензофураны, полихлорированные бифенилы), некоторые хлорорганические пестициды (ДДТ, гексахлоран, алдрин, линдан и т.д.) и многие другие вещества.
Абиотическая трансформация
На стойкость вещества в окружающей среде влияет большое количество процессов. Основными являются фотолиз (разрушение под влиянием света), гидролиз, окисление.
Фотолиз. Свет, особенно ультрафиолетовые лучи, способен разрушать химические связи и, тем самым, вызывать деградацию химических веществ. Фотолиз проходит главным образом в атмосфере и на поверхности почвы и воды. Скорость фотолиза зависит от интенсивности света и способности вещества его поглощать. Ненасыщенные ароматические соединения, например полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), наиболее чувствительны к фотолизу, т.к. активно поглощают энергию света. Свет ускоряет и другие процессы деградации веществ, гидролиз и окисление. В свою очередь наличие в средах фотооксидантов, таких как озон, окислы азота, формальдегид, акролеин, органические перекиси, существенно ускоряет процесс фотолиза других поллютантов (показано для ПАУ).
Гидролиз. Вода, особенно при нагревании, быстро разрушает многие вещества. Эфирные связи, например в молекулах фосфорорганических соединений, высокочувствительны к действию воды, чем определяется умеренная стойкость этих соединений в окружающей среде. Скорость гидролиза сильно зависит от рН.
Процесс деградации инсектицида паратиона представлен на рисунке 4.
Рис. 4. Абиотическое превращение паратиона в окружающей среде
В результате превращения химических веществ в окружающей среде образуются новые вещества. При этом их токсичность иногда может быть выше, чем у исходного агента. Так, на рисунке 4 показано, что в результате фотоокисления паратиона в среде может образовываться параоксон. Токсичность последнего для млекопитающих в несколько десятков раз выше, чем у исходного вещества.
Еще один хорошо известный пример: образование нитрозосоединений. Так, по данным ученых США, в почве, в кислой среде, легко вступают в соединение с нитритами целый ряд пестицидов. Среди них диалкилтиокарбаматы, тиокарбамоил дисульфиды, соли феноксиуксусной кислоты и др. Образующиеся нитрозосоединения, рассматриваются в настоящее время, как возможные канцерогены.
Биотическая трансформация
Абиотическое разрушение химических веществ обычно проходит с малой скоростью. Значительно быстрее деградируют ксенобиотики при участии биоты, особенно микроорганизмов (главным образом бактерий и грибов), которые используют их как питательные вещества. Процесс биотического разрушения идет при участии энзимов. В основе биопревращений веществ лежат процессы окисления, гидролиза, дегалогенирования, расщепления циклических структур молекулы, отщепление алкильных радикалов (деалкилирование) и т.д. Деградация соединения может завершаться его полным разрушением, т.е. минерализацией (образование воды, двуокиси углерода, других простых соединений). Однако возможно образование промежуточных продуктов биотрансформации веществ, обладающих более высокой токсичностью, чем исходный агент. Так, превращение неорганических соединений ртути фитопланктоном может приводить к образованию более токсичных ртутьорганических соединений, в частности, метилртути. Подобное явление имело место в Японии на берегах бухты Минамато в 50 - 60х годах. Поступавшая в воду залива ртуть со стоками фабрики по производству азотных соединений, трансформировалась биотой в метилртуть. Последняя концентрировалась в тканях морских организмов и рыбы, служившей пищей местного населения. В итоге у людей, потреблявших рыбу развивалось заболевание, характеризовавшееся сложным неврологическим симптомокомплексом, у новорожденных детей отмечались пороки развития. Всего было зарегистрировано 292 случая болезни Минамато, 62 из них закончились гибелью людей.
Процессы элиминации, не связанные с разрушением
Некоторые процессы, происходящие в окружающей среде, способствуют элиминации ксенобиотиков из региона, изменяя их распределение в компонентах среды. Загрязнитель с высоким значением давления пара может легко испаряться из воды и почвы, а затем перемещаться в другие регионы с током воздуха. Это явление лежит в основе повсеместного распределения относительно летучих хлорорганических инсектицидов, таких как линдан и гексахлорбензол. Перемещение ветром и атмосферными течениями частиц токсикантов или почвы, на которых адсорбированы вещества, также важный путь перераспределения поллютантов в окружающей среде. В этом плане характерен пример полициклических ароматических углеводородов (бензпирены, дибензпирены, бензантрацены, дибензантрацены, инденоприены и др.). Бензпирен и другие ПАУ как естественного (главным образом вулканического), так и антропогенного происхождения (выброс металлургического, нефтеперерабатывающего производств, предприятий теплоэнергетики и т.д.) активно включаются в биосферный круговорот веществ, переходя из одной среды в другую. При этом, как правило, они связаны с твердыми частицами атмосферной пыли. Мелкодисперсная пыль (1 - 10мкм) длительно сохраняется в воздухе, более крупные пылевые частицы достаточно быстро выседают на почву и в воду в месте образования. При извержении вулканов пепел содержит большое количество ПАУ. При этом, чем выше выброс, тем на большее расстояние рассеиваются поллютанты. В 1956 году при извержении Камчатского вулкана Безымянский высота выброса составила около 45 километров и его пепел долетел до Лондона.
Сорбция веществ на взвешенных частицах в воде, с последующим их осаждением приводит к их элиминации из толщи воды, но накоплению в донных отложениях. Осаждение резко снижает биодоступность загрязнителя. Перераспределению водорастворимых веществ способствуют дожди и движение грунтовых вод. Например гербицид атразин, используемый для защиты широколиственных растений в сельском и парковом хозяйстве США, повсеместно присутствует там в поверхностных водах. По некоторым данным до 92% исследованных водоемов США содержат этот пестицид. Поскольку вещество достаточно стойкое и легко растворимо в воде оно мигрирует и в грунтовые воды и там накапливается.
Биоаккумуляция
Если загрязнитель окружающей среды не может попасть внутрь организма, он как правило не представляет для него существенной опасности. Однако попав во внутренние среды многие ксенобиотики способны накапливаться в тканях. Процесс, посредством которого организмы накапливают токсиканты, извлекая их из абиотической фазы среды (вода, почва, воздух) и из пищи (трофическая передача), называется биоаккумуляцией. Результатом биоаккумуляции являются пагубные последствия для самого организма (достижение поражающей концентрации в критических тканях), так и для организмов, использующих данный биологический вид для питания. Способность вещества к биоаккумуляции определяется его токсикокинетическими характеристиками.
Водная среда обеспечивает наилучшие условия для биоаккумуляции соединений, поскольку в воде обитают мириады водных организмов, фильтрующих и пропускающих через себя огромное количество воды, экстрагируя при этом токсиканты, способные к кумуляции. Водная биота накапливает вещества в концентрациях, порой в тысячи раз больших, чем содержится в воде (таблица 4).
Таблица 4.
Биоаккумуляция некоторых поллютантов в организме рыб
|
Вещество |
Фактор биоаккумуляции* |
|
ДДТ ТХДД эндрин пентахлорбензол лептофос трихлобензол |
127000 39000 6800 5000 750 183 |
* Фактор биоаккумуляции - соотношение концентрации поллютанта в тканях рыб и в воде в состоянии равновесия (Le Blane, 1995).
Наибольшей способностью к биоаккумуляции обладают жирорастворимые вещества, медленно метаболизирующие в организме. Жировая ткань, как правило, основное место длительного депонирования ксенобиотиков.
Так, спустя много лет после воздействия, высокое содержание тетрахлордибензопарадиоксина (ТХДД) обнаруживали в биоптатах жировой ткани и плазме крови немецких рабочих гербицидных производств и ветеранов армии США, участников вьетнамской войны. ДДТ способен концентрироваться в жировой ткани человека, выделяться с грудным молоком и даже проходить через плаценту. Согласно подсчетам, сделанным в Германии, каждый грудной ребенок с молоком матери получает в 2 раза больше ДДТ, чем это допускается нормативами.
Химические вещества могут также перемещаться по пищевым цепям от организмов-жертв, к организмам-консументам. Для высоко липофильных веществ это перемещение может сопровождаться увеличением концентрации токсиканта в тканях каждого последующего организма - звена пищевой цепи. Этот феномен называется биомагнификацией. Так, для уничтожения комаров на одном из калифорнийских озер применили ДДТ. После обработки содержание пестицида в воде составило 0,02 частей на миллион (ppm). Через некоторое время в планктоне ДДТ определялся в концентрации 10 ppm, в тканях планктоноядных рыб - 900 ppm, хищных рыб - 2700 ppm, птиц, питающихся рыбой - 2100 ppm. То есть содержание ДДТ даже в тканях птиц, не подвергшихся непосредственному воздействию пестицида, было в 100000 раз выше, чем в воде и в 200 раз выше, чем в организме - первом звене пищевой цепи.
В книге Рашель Карсон “Silent Spring” приводится такой пример. Для борьбы с переносчиком “голландской болезни”, поражающей вязы, вязовым заболонником Scolytes multistriatus, деревья обрабатывали ДДТ. Часть пестицида попадала в почву, где его поглощали дождевые черви, в тканях которых вещество накапливалось. У поедающих преимущественно дождевых червей перелетных дроздов развивалось отравление пестицидом. Часть из них погибала, у других нарушалась репродуктивная функция - они откладывали стерильные яйца. В результате, борьба с заболеванием деревьев привела к почти полному исчезновению перелетных дроздов в ряде регионов США.
Биоаккумуляция может лежать в основе отсроченного развития токсических эффектов, поскольку в начале токсикант секвенируется в жировой ткани. Однако если жировая ткань включается в метаболический процесс, вещества мобилизуются и оказывают повреждающее действие на ткани и органы-мишени. Мобилизация жировой ткани у животных нередко отмечается в период размножения. Потеря жира приводит к выходу токсиканта в кровь. Это сопровождается массовой гибелью животных при достижении ими половой зрелости. Поллютанты могут также передаваться потомству: у птиц и рыб с содержимым желточного мешка, у млекопитающих - с молоком кормящей матери. При этом возможно развитие эффектов у потомства, не проявляющихся у родителей.
Факторы, влияющие на биоаккумуляцию
Склонность экотоксикантов к биоаккумуляции зависит от ряда факторов. Первый - персистирование ксенобиотика. Степень накопления вещества в организме в конечном счете определяется его содержанием в среде. Вещества, быстро элиминирующиеся из среды, в целом, плохо накапливаются в организме. Исключением являются условия, при которых подобный поллютант постоянно привносится в среду (регионы близ производств и т.д.).
Так, синильная кислота, хотя и токсичное соединение, в силу высокой летучести не является потенциально опасным экополлютантом. Однако до настоящего времени не удалось полностью доказать, что некоторые виды заболеваний, нарушения беременности у лиц, проживающих близ золотодобывающих предприятий, где цианиды используются в огромных количествах, не связаны с хроническим действием вещества.
Липофильность - свойство веществ, способствующее биоаккумуляции. Однако многие липофильные вещества склонны к сорбции на поверхностях различных частиц, осаждающихся из воды и воздуха, что снижает их биодоступность. Например сорбция бенз(а)пирена гуминовыми кислотами снижает способность токсиканта к биоаккумуляции тканями рыб в три раза. Рыбы из водоемов с низким содержанием взвешенных частиц в воде аккумулируют большее количество ДДТ, чем рыбы из эвтрофических водоемов с высоким содержанием взвеси.
После поступления веществ в организм их судьба определяется токсикокинетическими процессами (см. выше). Вещества, метаболизирующие в организме, накапливаются в меньшем количестве, чем можно было бы ожидать, исходя из их физико-химических свойств (таблица 5).
Таблица 5.
Реальные и расчетные значения фактора биоаккумуляции некоторых токсикантов в тканях рыб.
|
Вещество |
Интенсивность |
Факторы биаккумуляции |
|
|
биотрансформации |
Расчетный |
Реальный |
|
|
хлордан ПХБ мирекс пентахлофенол трис(2,3дибромпропилфрсфат) |
низкая низкая низкая высокая высокая |
47900 36300 21900 4900 4570 |
38000 42600 18200 780 3 |
Межвидовые различия значений факторов биоаккумуляции ксенобиотиков во многом определяются видовыми особенностями их метаболизма.
Экотоксикодинамика
Экотоксичность
Экотоксичность - это способность данного ксенобиотического профиля среды вызывать неблагоприятные эффекты в соответствующем биоценозе. В тех случаях, когда нарушение естественного ксенобиотического профиля связано с накоплением в среде одного поллютанта, можно говорить об экотоксичности этого вещества.
Экотоксичность определяется экотоксикокинетическими свойствами и токсичностью экополлютантов для биоты, составляющей данный биоценоз. Как правило, экотоксичность не измеряется цифрами (количественно), она характеризуется качественно, через понятие опасность (см. ниже). В зависимости от продолжительности действия экополлютантов на экосистему (популяцию) можно говорить об острой и хронической экотоксичности.
Острая экотоксичность
Проявление острого токсического действия веществ в окружающей среде может явиться следствием аварий и катастроф, сопровождающихся выходом в окружающую среду большого количества относительно нестойкого токсиканта или неправильного использования химикатов.
Истории уже известны такие события. Так, в 1984 году в г. Бхопал (Индия) на заводе американской химической компании по производству пестицидов “Юнион Карбайт” произошла авария. В результате аварии реактора в атмосферу попало большое количество пульмонотропного вещества метилизоцианата. Будучи летучей жидкостью вещество сформировало нестойкий очаг заражения. Однако отравлению подверглись около 200 тыс. человек, из них 3 тысячи - погибли. Основная причина смерти - остро развившийся отек легких.
Ираком была закуплена большая партия зерна а качестве посевного материала. Посевное зерно с целью борьбы с вредителями подвергалось обработке фунгицидом метилртутью. Однако эта партия зерна случайно попала в продажу и была использована для выпечки хлеба. В результате этой экологической катастрофы отравление получили более 6,5 тыс. человек, из которых около 500 погибли.
Величайшим экологическим бедствием является использование высокотоксичных химических веществ с военными целями. В годы первой мировой войны воюющими странами было использовано на полях сражений около 120 тыс. тонн отравляющих веществ. В результате отравление получили более 1,3 млн. человек.
Последствия острого экотоксического действия не всегда связаны с немедленной гибелью или острым заболеванием людей, подвергшихся воздействию. Так, среди применявшихся в первую мировую войну ОВ был сернистый иприт. Это вещество, являясь канцерогеном (относится к группе 1 по классификации МАИР), было причиной поздней гибели людей, перенесших острое поражение веществом, от новообразований.
Хроническая экотоксичность
С хронической токсичностью веществ, как правило, ассоциируются сублетальные эффекты. Часто при этом подразумевают нарушение репродуктивных функций, иммунные сдвиги, эндокринная патология, пороки развития, аллергизацию и т.д. Однако хроническое воздействие токсиканта на среду может приводить и к смертельным исходам среди особей отдельных видов. Это наблюдается при действии веществ с высокой способностью к биоаккумуляции. Необходимо учитывать, что хотя практически все вещества могут вызывать острые токсические эффекты, хроническая токсичность выявляется далеко не у каждого соединения. Косвенной величиной, указывающей на степень опасности вещества при его хроническом действии является соотношение концентраций, вызывающих острые (ЛК50) и хронические (порог токсического действия) эффекты. Если это соотношение менее 10, вещество рассматривается как малоопасное при хроническом воздействии (таблица 6).
Таблица 6.
Острая и хроническая токсичность пестицидов для рыб (условия лаборатории)
|
Пестицид |
ЛК50 (мкг/л) |
токсичность |
Порог действия* (мкг/л) |
Коэффициент опасности |
|
эндосульфан хлордекон малатион карбарил |
166 10 3000 15000 |
высокая высокая токсичен умеренная |
4,3 0,3 340 378 |
39 33 8,8 40 |
*Пороговая концентрация вещества, вызывающая хроническое действие
В большинстве случаев экотоксиколог сталкивается со случаями хронической экотоксичности. По сути, хроническое воздействие экополлютантов - основная проблема экологии.
Механизмы взаимодействия ксенобиотиков с биогеоценозом
Механизмы, посредством которых вещества могут вызывать неблагоприятные эффекты в биогеоценозах, необозримо многочисленны, и, вероятно, в каждом конкретном случае - уникальны. Вместе с тем, можно выделить две большие группы таких механизмов:
1. Прямое действие;
2. Опосредованное действие.
Прямое действие - это непосредственное поражение организмов определенной популяции или нескольких популяций (биоценоза) экотоксикантом или совокупностью экополлютантов данного ксенобиотического профиля среды. Опосредованное действие - это действие ксенобиотического профиля среды на биотические или абиотические элементы среды обитания популяции, в результате которого условия и ресурсы среды перестают быть оптимальными для существования вида.
В современной литературе приводятся примеры таких механизмов, позволяющие оценить их сложность и неожиданность.
1. Применение эффективных пестицидов приводит к массовой гибели вредителей: насекомых (инсектициды) или сорняков (гербициды). На этом экотоксическом эффекте строится использование химикатов. Однако в ряде случаев этому сопутствуют негативные явления. Так в Швеции, в 50-60 гг. для обработки семян широко использовали метилртутьдицианамид. Концентрация ртути в зерне составляла более 10 мг/кг. Периодическое склевывание протравленного семенного зерна птицами привело к тому, что через несколько лет была отмечена массовая гибель фазанов, голубей, куропаток и других зерноядных пернатых от хронической интоксикации ртутью.
Необходимо иметь в виду основной закон токсикологии: чувствительность различных видов живых организмов к химическим веществам различна. Поэтому появление поллютанта в окружающей среде даже в малых количествах может быть пагубным для представителей наиболее чувствительного вида. Так, хлорид свинца убивает дафний в течение суток при содержании его в воде в концентрации выше 0,01 мг/л.
2. Прямое действие ксенобиотика, приводящее к снижению резистентности организма к патогенным возбудителям: загрязнители среды и заболеваемость среди морских млекопитающих. В конце 80х годов в результате вирусных инфекций в Балтийском, Северном и Ирландском морях погибло около 18 тысяч тюленей. В тканях погибших животных находили высокое содержание полихлорированных бифенилов (ПХБ). Установлено, что ПХБ, как и другие хлорсодержащие соединения, такие как ДДТ, гексахлорбензол, дилдрин обладают иммуносупрессивным действием на млекопитающих. Именно в следствие такого действия накопление веществ в тканях тюленей привело к усилению чувствительности их к инфекции. Эта гипотеза была проверена в эксперименте. Молодняк тюленей разбили на две группы. Животных одной группы в течение 93 суток кормили рыбой, отловленной в «зараженных» регионах, других - «чистой» рыбой. Установлено, что у тюленей, поедавших контаминированную рыбу развивались признаки иммуносупрессии. Таким образом, непосредственно не вызывая гибели животных поллютант существенно снижал их резистентность к действию других неблагоприятных экологических факторов.
3. Прямое действие продукта биотрансформации поллютанта с необычным эффектом: маскулинизация рыб в следствие взаимодействия микроорганизмов с продуктами переработки орехов. Полевые наблюдения за популяцией живородящих карпозубых в штате Флорида позволили выявить популяции рыб с большим количеством самок с явными признаками маскулинизации (своеобразное поведение, модификация анального плавника и т.д.). Эти популяции были обнаружены в реке, ниже стока завода по переработке орехов. Первоначально предположили, что стоки содержат маскулинизирующие вещества. Однако исследования показали, что такие вещества в выбросах отсутствуют: анализируемая вода не вызывала маскулинизацию. Далее было установлено, что вода содержит фитостерол, превращающийся под влиянием бактерий в андроген, последний и вызывал неблагоприятный эффект (рисунок 5). Таким образом взаимодействие ксенобиотика с биотическим компонентом среды (микроорганизмы) может стать причиной существенных популяционных эффектов в биоценозе.
Рис. 5 . Превращение фитостерола в андроген при участии микроорганизмов.
4. Эмбриотоксическое действие экополлютантов. Является хорошо установленным фактом, что ДДТ, накапливаясь в тканях птиц, таких как кряква, скопа, белоголовый орлан и др. приводит к резкому истончению скорлупы яиц. В итоге птенцы не могут быть высижены и погибают. Это приводит к снижению численности популяции птиц. Примеры токсического действия различных ксенобиотиков (в то числе лекарственных препаратов) на эмбрионы человека и млекопитающих широко известны.
5. Опосредованное действие путем сокращения пищевых ресурсов среды обитания. Для борьбы с вредителями лесного хозяйства, гусеницами елового листовертки-почкоеда в одном из регионов Канады применили фосфорорганический пестицид, быстро деградирующий в среде. В результате резкого снижения числа гусениц от бескормицы погибло около 12 млн. птиц, так как каждая из них должна в день съедать столько же гусениц, сколько весит сама.
6. Действие, обусловленное изменением абиотических свойств среды: взаимодействие: фреоны-озон-УФ-излучение-популяция амфибий. Попадание в атмосферу фреонов (хлор-фтор-углеводородов) приводит к уменьшению озонового слоя в стратосфере, который выполняет роль своеобразного фильтра для ультрафиолетовых лучей. Имеются документальные свидетельства того, что даже временное повышение интенсивности ультрафиолетового (УФ) излучения несет угрозу жизнедеятельности растений и животных. Так, соразмерно усилению интенсивности излучения на Земле снижается численность популяций многих амфибий. Исследования показывают, что основная причина снижения численности земноводных - гибель их эмбрионов. Установлено, что икра, собранная в водоемах, а затем инкубируемая в лабораторных условиях, развивается нормально. Воздействие УФ увеличивает гибель эмбрионов, а размещение над икрой светофильтров, задерживающих УФ увеличивает выживаемость.
Некоторые виды амфибий исследовали на активность в тканях энзима фотолиазы. Этот энзим участвует в процессе репарации ДНК, поврежденной Уф лучами. Среди различных видов отмечались 80-кратные различия в активности энзима. Наименьшей была активность фотолиазы у видов, численность которых в последние годы снижается. Показано, что облучение икры земноводных вызывает усиление ее восприимчивости к патогенным грибам. Таким образом осуществляется связь между повышением концентрации фреонов в атмосфере и снижением численности одного из видов живых существ. Подобные виды взаимодействий поллютанта со средой не возможно предсказать, основываясь исключительно на данных лабораторных исследований.
7. Взрыв численности популяции в следствие уничтожения вида-конкурента.
В США после начала применения синтетических пестицидов стали интенсивно размножаться малочисленные ранее виды клещей-хлопкоедов. Количество опасных видов таких клещей увеличилось с 6 до 16. Это явление объясняют тем, что в мире насекомых существует сложная система взаимоотношений и количество особей в популяции растительноядных насекомых зачастую контролируется другими видами, которые либо паразитируют на этих насекомых, либо ведут себя по отношению к ним как хищники. Воздействие пестицидов может оказаться более выраженным на представителей видов-хищников. В итоге - гибель врагов приводит к взрыву численности растительноядных насекомых.
Экотоксикометрия
Все виды количественных токсикологических исследований в полной мере используются для определения экотоксичности ксенобиотиков.
Острая токсичность экополлютантов определяется экспериментально на нескольких видах, являющихся представителями различных уровней трофической организации в экосистеме (водоросли, растения, беспозвоночные, рыбы, птицы, млекопитающие). Агентство по защите окружающей среды США требует при определении критериев качества воды, содержащей некий токсикант, определения его токсичности по крайней мере на 8 различных видах пресноводных и морских организмов (16 тестов). Неоднократно делались попытки ранжировать виды живых существ по их чувствительности к ксенобиотикам. Однако для различных токсикантов соотношение чувствительности к ним живых существ различно. Более того, использование в экотоксикологии «стандартных видов» представителей определенных уровней экологической организации, для определения экотоксичности ксенобиотиков, с научной точки зрения не корректно, поскольку чувствительность животных даже близких видов, порой отличается очень существенно.
Условные данные для оценки токсичности веществ для биоты представлены в таблице 7.
Таблица 7.
Группы токсичности ксенобиотиков для позвоночных животных
|
LC50 для рыб (мг/л) |
LD50 для птиц и млекопитающих (мг/кг) |
Степень токсичности |
Пример токсиканта |
|
более 100 10 - 100 1 - 10 менее 1 |
более 5000 500 - 5000 50 - 500 менее 50 |
-малотоксичные -умеренно токс. -токсичные -высоко токс. |
Барий кадмий дихлобензол алдрин |
При оценке хронической экотоксичности вещества необходимо учитывать следующие обстоятельства:
1. Определение коэффициента опасности является лишь самым первым шагом по определения экотоксического потенциала вещества. В условиях лаборатории пороговые концентрации хронического действия токсикантов определяют, оценивая показатели летальности, роста, репродуктивных способностей группы. Изучение других последствий хронического действия веществ порой может привести к иным числовым характеристикам.
2. Исследования токсичности проводят на животных, пригодных для содержания в условиях лаборатории. Получаемые при этом результаты нельзя рассматривать как абсолютные. Токсиканты могут вызывать хронические эффекты у одних видов, и не вызывать - у других.
3. Взаимодействие токсиканта с биотическими и абиотическими элементами окружающей среды может существенно сказаться на его токсичности в естественных условиях. Однако это не подлежит изучению в условиях лаборатории.
Специфическим методом экотоксикометрии является метод оценки экологического риска.
Оценка экологического риска
Оценка экологического риска - это процесс определения вероятности развития неблагоприятных эффектов со стороны биогеоценозов (включая популяции человека) в результате изменений различных характеристик среды, происходящих под влиянием хозяйственной деятельности человека. Важным элементом оценки экологического риска является выявление опасности, связанной с возможным массивным воздействием на среду различных химических веществ (изменение естественного ксенобиотического профиля среды) и определение вероятности такого воздействия. Как правило оценка экологического риска проводится в форме заказного исследования, выполняемого с целью получения информации, носящей перспективный или ретроспективный характер, и необходимой заказчику (законодательные, управленческие структуры и т.д.) для принятия административных решений. Поэтому в отличии от научных экотоксикологических исследований, в ходе которых рассматриваются объективные закономерности реакций биоценоза в целом на действие стрессора, при определении экотоксикологического риска в качестве объектов среды, подлежащих изучению и «защите», могут выступать характеристики биосистемы, имеющие антропоцентрическое значение, а порой и отдельные элементы окружающей человека природы, субъективно воспринимаемые общественным мнением, как весьма значимые.
Методология оценки экологического риска до конца не разработана. В подавляющем большинстве случаев ее выводы носят качественный, описательный характер. Попытки внедрить методы количественной оценки сталкиваются с серьезными трудностями, обусловленными сложностью экосистем, комплексностью воздействия на среду стрессоров (не только химической, но и физической и биологический природы), недостаточной изученностью характеристик экотоксикологической опасности огромного количества ксенобиотиков, используемых человеком и т.д. В этой связи, по мнению самих экологов, в настоящее время оценка экологического риска в значительной степени является искусством.
Поскольку процедура оценки риска сложна и в значительной степени страдает известной неопределенностью, с целью стандартизации исследований, Агентство по Защите Окружающей среды США (EPA) разработало и утвердило план проведения таких работ, включающий описание последовательности решения задачи, организации и анализа данных, учета неопределенностей и допущений с целью получения в какой-то степени унифицированной приблизительной информации о вероятности развития неблагоприятных экологических эффектов. В основе документа лежат современные научные представления по проблеме.
Согласно этому документу план проведения оценки экологического риска включает следующие этапы:
1. Формулирование проблемы и разработка плана анализа ситуации.
2. Анализ экологической ситуации.
3. Обработка данных, формирование выводов и представление материалов заказчику.
Схематически этапы оценки экологического риска представлены на рисунке 6.
Рис. 6. Этапы оценки экологического риска.
Таким образом, экотоксикология - развивающаяся область науки. Как видно из представленного материала основные практические результаты получаются в настоящее время в ходе эмпирических исследований в реальных полевых условиях. В будущем необходимо продолжить работы, направленные на установление основных феноменов этой науки. Среди них следует отметить следующие направления:
- выявление видов живых организмов (прежде всего среди определяющих благополучие человеческой популяции), обладающих повышенной чувствительностью к наиболее опасным экотоксикантам;
- изучение закономерностей взаимодействий ксенобиотиков с абиотическими элементами окружающей среды, приводящих к формированию экотоксических эффектов;
- раскрытие закономерностей формирования неблагоприятных эффектов при сочетанном действии токсикантов, влияние на экотоксичность стрессоров нехимической природы;
- выявление молекулярных и клеточных маркеров, позволяющих выявлять токсическое действие ксенобиотиков на экосистемы, до их проявления на уровне популяций и т.д.
- эту величину иногда называют солнечной постоянной
- Понятие “риск” рассматривается в последующих главах данного пособия.
Эти проблемы также рассматриваются в главе 4.