В силу высокой научной и практической значимости проблема оценки качества вод привлекает большое количество исследователей. Предлагается ряд классификационных схем, позволяющих с определенной долей условности по физико-химическим или гидробиологическим показателям отнести водный объект к определенному классу качества вод [2, 6, 19]. Не ново мнение, что система ограничений поступления загрязняющих веществ, основанная на данных о Предельно допустимых концентрациях (ПДК) вредных веществ в воде, не совершенна, не дает адекватной оценки качества вод и не охраняет в полной мере водные экосистемы от деградации [3]. Поэтому, справедливо критикуя систему ПДК, специалисты гидрохимического профиля предлагают оценивать качество вод и нормировать загрязнения по средним фоновым значениям показателей его химического состава (в том числе и компоненты загрязнения) плюс одно или два квадратичных отклонения. Уместен вопрос: что будут означать эти отклонения для живых систем? В свою очередь, специалисты биологического профиля предлагают учитывать показатели нарушения состояния индивидуумов, популяций и сообществ. При этом не ясно, в каких условиях (т.е. при каких показателях химического состава вод) произошли регистрируемые изменения в биологических системах?
Согласно ГОСТ [4] под качеством вод понимают «совокупность физических, химических и биологических свойств вод с учетом требований конкретных водопотребителей». Критерии качества вод у водопотребителей различны в соответствии с их целями. Для промышленного водопользования, питьевого водоснабжения, естественного или искусственного воспроизводства рыб они существенно отличаются. В самом определении «качество» заложена эпитетная характеристика вод, выражающая в экспертных оценках: чистая, загрязненная, сильно загрязненная;удовлетворительная или неудовлетворительная и т.д. Поскольку вода - это жизненно необходимый ресурс для всех живых организмов, включая человека, и среда обитания для водных организмов, ее качество может быть оценено только по отношению к живым системам [13]. Возникает логичный вопрос: насколько эпитетные, зачастую субъективные определения качества вод соотносятся с состоянием живых организмов, потребляющих ее или живущих в ней?
Водные организмы более зависимы от свойств воды в силу высокого уровня метаболизма в водных экосистемах по сравнению с таковым в наземных. Для них вода является средой обитания, которая характеризуется определенными условиями. Условие, по определению Ю. Одума [17], это изменяющийся во времени и пространстве абиотический фактор среды, на который организм реагирует в зависимости от его силы. «Оптимальными» считаются те условия, при которых особи способны оставить наибольшее количество потомства». Это определение согласуется с понятием, предложенным Строгановым [20] в начале 70-х годов: «хорошим можно считать такое качество вод, при котором эффективность размножения водных организмов наиболее высокая». Однако следует обратить внимание, что патофизиологические нарушения в живых организмах появляются раньше, чем снижается их способность к воспроизводству. К тому же, в ряде случаев в условиях загрязнения успешно происходит размножение устойчивых к загрязнению видов.
Если абстрагироваться от субъективных требований к качеству вод отдельных водопотребителей, то более универсальным определением будет характеристика качества вод с позиций экологической парадигмы: «Качество вод - это свойства вод, сформированные в процессе химических, физических и биологических процессов, как на водоеме, так и водосборе; благоприятное качество вод в том случае, если отвечает требованиям сохранения здоровья организмов и воспроизводства наиболее чувствительных видов в экосистеме конкретного водоема».
Если исходить из предложенного понятия «качества вод», очевидно, что в основе методов его оценки лежит изучение влияния свойств вод на водные экосистемы и их структурные элементы - отдельные организмы, популяции или сообщества. Принимается, что, если свойства вод отвечают требованиям существования и воспроизводства наиболее чувствительных водных организмов, то качество вод (за исключением частных случаев) можно считать соответствующим требованиям и для сохранения здоровья человека.
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЦЕНОК
Наиболее известными методами оценки качества вод являются: система ПДК (или химиндикация), биотестирование и биоиндикация.
Система ПДК. Загрязнение водного объекта оценивается на основе установления кратности превышения измеренных концентраций отдельных элементов и веществ к их ПДК или числа случаев с превышением ПДК. В Государственном докладе о состоянии окружающей среды [5], как и в ряде научных публикаций, на многих страницах идет унылая констатация фактов, в какой водной системе и по каким элементам превышено ПДК. При этом не всегда ясно, сколько веществ и элементов было измерено в каждом конкретном случае, на фоне каких природных условий и в какой комбинации они оказывают вредное воздействие на биологические системы. И тем более неясно - насколько эти превышения опасны для живых организмов и человека?
Устанавливаются ПДК на основе экспериментальных работ с тест-организмами. Пороговое значение, вызывающее видимые отклонения от нормы у наиболее чувствительной группы организмов, принимается как ПДКрбхз опасного вещества [8,9]. Отметим, что для большинства элементов и веществ ПДК для рыбохозяй-ственных водоемов (ПДКрбхз) жестче, чем санитарно-гигиенические нормативы (ПДКсан.-тг).
ПДК достаточно условны и существенно различаются в различных странах, несмотря на унифицированные методы по их установлению. Например, в России [10], по сравнению с другими странами (Канада, США, страны ЕС) [23, 25, 28], неоправданно низкие значения для Си, V, Мп и др., тогда как нормативы для Cd, As, Pb и AI завышены. В последние годы внимание мировой научной общественности концентрируется на таких опасных элементах, как Hg, РЬ и Cd в связи с возрастающим глобальным повышением их содержания в окружающей среде. Если нормативы по Hg в России сопоставимы с западными странами, то - по РЬ и Cd они значительно более жесткие в Европе и Америке, чем в России. Не совпадают ПДК и по ряду токсичных органических соединений. Рассмотрим другой пример - ПДКрбхз по Ni. В России его значение 10 мкг/л, тогда как в Канаде - 25 мкг/л [25]. Величину этого норматива в Канаде можно объяснить не иначе как влиянием политических решений, которые благоприятствуют деятельности медно-никелевых производств в Садбери. Следует отметить, что аналогичные производства на Кольском Севере России загрязняют никелем поверхностные воды в концентрациях 20-30 мкг/л в радиусе 30 км от плавилен, несмотря на установленные в России более жесткие нормативы для этого элемента [12].
ПДК не учитывают природные условия водного объекта. Известно, что токсичные свойства элементов зависят не только от их концентрации в воде, но от форм их нахождения, содержания кальция в воде, гумусовых кислот, рН, температуры, комбинаций с другими металлами [12, 29, 35]. Поэтому, содержание металлов в воде в ряде стран нормируется в зависимости от концентрации кальция, например при содержании СаСОЗ (мг/л) в водах до 60, допускается содержание наиболее опасных металлов (мкг/л): Cd - 0.2, Си - 2, РЬ -1; при более высоких - эти значения повышаются. При нормировании содержания AI в водах, допускается содержание AI = 5 мкг/л, а при рН > 6,5 -100 мкг/л [25]. На всей гумидной территории России встречаются антропогенно-закисленные озера, в которых отмечены высокие содержания AI и других элементов [12]. Только в последней редакции Перечня ...[18] ПДК по AI были ужесточены с 300 до 40 мкг/л. Растворенное органическое вещество (РОВ) вод способно инактивировать поступающие в водоем металлы путем их связывания с лигандами амино-, фульво-и гуминовых кислот, что снижает их токсичность и биодоступность для гидробионотов [24, 31]. Однако это правило не может быть распространено на все элементы: например метилирование Hg значительно увеличивает ее биодоступность.
ПДК не учитывают взаимодействие между элементами при комплексном загрязнении вод, в условиях которого токсичные свойства ряда элементов могут взаимно усиливаться или нивелироваться. Например, комбинация Zn, Си и Сг для рыб во много раз токсичнее, чем каждый элемент в отдельности [19]. Есть данные, что присутствие Мп снижает токсичность таких элементов как Си и AI, то есть проявляет антагонистические свойства [34].
Особенно следует остановиться на неоправданно жестком нормативе (ПДК) для меди применительно к России. Известный в мире порог токсичного действия Си на водные организмы составляет 1,5 мкг/л [30], то есть выше принятых нормативов в России. Столь жесткая ПДК для Си (1 мкг/л) установлена по данным экспериментальных работ в аквариумах и обусловлена, очевидно, токсичностью ее ионной формы. По нашим данным, концентрация свободных ионов Си в природных водах менее 10% от валового содержания [15], поскольку для большей части поверхностных вод России характерно достаточно высокое содержание в них гумусовых кислот, способных связывать и инактивировать металл. В Канаде, при низком содержании кальция в воде норматив по Си составляет 2 мкг/л, при высоком - 4 мкг/л. Из этого анализа можно сделать заключение, что распространять утвержденное значение ПДК по Си на все регионы и типы вод неправомерно.
Приведенный анализ показывает значимость учета специфических физико-химических характеристик природных вод при нормировании содержания загрязняющих веществ. В России на большой территории (от Арктики до Аридной зоны) для всех типов вод используются одни и те же значения ПДК. Поэтому система ограничений загрязнения водоемов, основывающаяся на ПДК, не дает научной основы для объективной оценки качества вод и экологического состояния водоема.
Биотестирование направлено на оценку потенциальной опасности поступающих в водоем загрязняющих веществ (или конкретных стоков, загрязненных вод) по данным экспериментальных лабораторных определений (ex situ). Этот метод позволяет выявить летальные и сублетальные концентрации потенциальных загрязняющих веществ, а также сточных вод производств или загрязненных вод из водоемов для живых организмов (тест-объектов) в лабораторных условиях.
Экспериментально устанавливаются концентрации веществ, которые вызывают наиболее значимые и легко определяемые нарушения у водных организмов - смертность, выживаемость, физиологические или патологические нарушения. В качестве биотестов используются организмы различных систематических групп (бактерии, водоросли, беспозвоночные, рыбы) [6, 33]. Основная масса токсикологических исследований выполняется на уровне организмов. На основе серии экспериментальных работ с отдельными веществами принимается решение об утверждении ПДК.
К достоинствам биотестирования можно отнести сравнительно быстрое получение информации о токсичности отдельных веществ или сточных вод различных производств. К тому же, данные о пороговых значениях веществ позволяют дать сопоставительную оценку их токсичных свойств. Однако не ясно, насколько правомочен перенос полученных результатов в лабораторных экспериментах на природные объекты. Поведение загрязняющих веществ в естественных водных объектах и их токсичные свойства могут значительно отличаться от их действия на живые организмы в аквариумах; проявляться комбинированные как синергетические, так и антагонистические эффекты. В лабораторных условиях сложно определить поступление ядов по пищевым цепям и их кумулятивные эффекты. К тому же, отдельные организмы, используемые в эксперименте, имеют мало общего с природными популяциями и сообществами.
Биоиндикация направлена на оценку качества вод по показателям состояния сообществ или индикаторных видов в водном объекте (in situ). Этот метод позволяет дать оценку качества вод природных водоемов (или зоны загрязнения) по состоянию индикаторных видов или сообществ организмов; он широко применяется в системе государственной службы по гидрометеорологии и контролю окружающей среды [1, 3]. Гидробиологический мониторинг пресноводных экосистем предусматривает наблюницы ее использования при решении тех или иных задач. Экспертная характеристика качества вод и экологического состояния водного объекта основывается на общей сумме всех признаков, включая структурные (видовой состав, численность, биоразнообразие, соотношение видов различной экологической валентности, характеристики их сапробности) и функциональные характеристики водных сообществ (показатели продукции, деструкции и др.). В соответствии с состоянием водных сообществ дается следующая градация оценки качества вод, соответственно: чистая, слабо загрязненная, умеренно загрязненная и грязная [4].
Однако количественные методы оценки состояния экосистем в гидробиологическом анализе не получили должного распространения в силу ряда причин. Индексы и показатели, в основе которых лежит учет видового состава населения, часто субъективны, зависят от однородности биотопа, сезона года. К тому же популяции различных видов отличаются по степени своей полифункциональности. Затруднено их использование в случае комбинированного токсичного загрязнения и эвтрофирования: число одних сообществ может увеличиваться, других - уменьшаться. Поэтому, в конечном итоге даются сравнительные системы оценки, выраженные в классах, баллах, очках, индексах, которые занимают промежуточное положение между количественными и качественными показателями, и зависят от квалификации экспертов.
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ «ЗДОРОВЬЯ» ЭКОСИСТЕМЫ И КАЧЕСТВА ВОД
В рамках экологической парадигмы получил развитие методологический подход к оценке качества вод, основанный на интегральных показателях «здоровья» экосистемы [14, 21, 22, 26]. Принимается, что симптомы физиологических изменений и патологических состояний организмов, функциональных и структурных нарушений состояния популяций и сообществ отражают неблагополучное «здоровье» экосистемы, следовательно, неблагоприятное качество вод. Все химические соединения первоначально воздействуют на изменение структуры и функций молекул, которые приводят к изменению их функционирования в клетке. Молекулярные изменения действуют на структуру и функции клеточных органелл, которые изменяют физиологический статус организма. Это, в свою очередь, приводит к изменению роста и воспроизводства индивидуумов в порые можно систематизировать по уровням биологической организации:
изменения на молекулярно-клеточном уровне - характеризуются нарушения структуры клеток и биохимических процессов;
индивидуальные патологии - регистрируются морфологические и физиологические нарушения организмов;
перестройки в популяциях - анализируются устойчивость и способность поддержания численности популяций основных видов;
реорганизация сообществ - характеризуются их структура и функционирование, взаимодействие между элементами экосистем.
В таблице 1 представлены основные показатели нарушений в экосистеме под действием загрязняющих веществ, которые можно использовать в качестве критериев оценки нарушений «здоровья». Отметим следующие важные моменты, которые необходимо учитывать при обосновании критериев диагностики состояния экосистем и их структурных элементов.
Ответные реакции живых систем не являются всегда прямыми, и могут проявляться с участием обратных связей. Большое влияние могут оказывать вторичные эффекты загрязнения вод, а также изменения всей трофической структуры экосистемы, которые в свою очередь будут отражаться как на популяционных , так и организменных показателях.
Не существует единого универсального критерия для оценки всех антропогенных воздействий. Например, для оценки степени эвтрофирования водоемов наиболее ясную картину формирует изменение фитопла-нктонного сообщества, закисления вод - зообентосного, токсичного загрязнения - организм рыб. Поэтому, необходима мультивариантная система критериев, позволяющая гибко ее применять при оценках экологического состояния природных систем, включая качество вод.
Критерии оценки состояния организма (по биохимическим, физиологическим, клиническим, патолого-морфологическим симптомам заболеваемости) имеют значение для оценки эффектов загрязнения вод на современном отрезке времени, на уровне популяций (изменение скорости роста, сроков созревания, продолжительности жизни, плодовитости и др.) и сообществ (изменения продуктивности, биоразнообразия, трофической структуры и др.) - могут рассматриваться для интегральной оценки последствий пролонгированногония. По отношению к экосистемам понятие «нормы и патологии» приобретает смысловую нагрузку и содержание лишь в том случае, когда определены исходные условия и позиции, с которых рассматриваются процессы, протекающие в них.
Многочисленные публикации свидетельствую об успешности использования рыб как индикаторов нарушений «здоровья» экосистемы при токсичном загрязнении вод [10, 16, 21 , 32, 33]. Рыбы занимают верхний уровень в трофической системе водоемов. Патологические изменения в их организме позволяют определить степень токсичности водной среды, оценить кумулятивные эффекты, а также сформировать представление о потенциальной опасности группы веществ, поступающих в водоем, и для человека. Изменения физиологических показателей рыб регистрируются численными значениями, которые возможно использовать при построении доза-эффектных зависимостей. Поэтому в ряде крупных международных проектов (MOLAR, LIMPACs, АМАР, ICP-Water и др.) в оценках экологических последствий загрязнения вод предпочтение отдается исследованию рыб на уровне организма.
В отличие от привычных методов биоиндикации, согласно которым качество вод экспертно оценивается в баллах по сумме признаков нарушений в подсистемах, в рамках данной концепции биологические критерии оценки неблагоприятных изменений в экосистеме, будь то уровень организма, популяции или сообществ, соотносятся с гидрохимической информацией, интегрированной в показатель, отражающий дозу воздействия. На основе рассчитанных доза-эффектных зависимостей вскрываются причинно-следственные связи, и можно ответить на наиболее значимый в практическом плане вопрос -насколько сформированные под влиянием загрязнения новые свойства вод опасны для водного населения, и насколько необходимо снизить уровень загрязнения вод, чтобы их качество соответствовало благоприятным условиям существования и размножения водных обитателей. Полученные результаты в области высоких уровней загрязнения могут быть экстраполированы на более низкие для установления параметров как ранних волнений в экосистеме, так предсказания пролонгированного действия на живые организмы.
Татьяна Моисеенко, заместитель директора Института водных проблем Российской академии наук, чл.-корр.РАН
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант - 07-05-00302)
(Продолжение следует)
Литература:
Абакумов В.А., Сущеня Л.М. Гидробиологический мониторинг пресноводных экосистем и пути его совершенствования // Экологические модификации и критерии экологического нормирования. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 41-52. 296 с.
Алабастер Дж., Ллойд Р. Критерии качества воды для пресноводных рыб. М.: Легк. и пищев. пром-сть, 1984. 344с.
Алимов А.Ф. Элементы теории функционирования водных экосистем. СПб, 2000. 148с.
ГОСТ 27065-86. Качество вод. Термины и определения.-М.: Изд-во стандартов, 1987. 9 с.
Государственный доклад о состоянии окружающей среды Российской Федерации в 2002г. Москва. Минестерство природных ресурсов. 2003г. 479с.
Единые критерии качества вод. Совещание руководителей водохозяйственных органов стран-членов СЭВ. М.:СЭВ,1982.
Ласкорин Б.Н., Лукьяненко В. И. Стратегия и тактика охраны водоемов от загрязнений //Тез. докл. II Всесоюзной конференции по рыбохозяйственной токсикологии. С.-П., 1991.С. 5-8.
Лесников Л.А. Система исследований для разработки рыбохозяственных нормативов качества вод с учетом особенностей перенесения эксперементальных данных на природные водоемы.// Влияние загрязняющих веществ на гидробионтов и экосистемы водоемов. Л. 1979. С. 301 -309.
Методические указания по установлению эколого-рыбохозяйственных нормативов (ПДК и ОБУВ) загрязняющих веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. Под ред. О. Ф. Филенко. М, Издательство ВНИ-РО, 1998.
Моисеенко Т.Н. Антропогенная изменчивость пресноводных экосистем и критерии оценки качества вод.// Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Изд. ГИДРОМЕТ, Санкт-Петербург, 2003.Том 19. С. 72-94.
Моисеенко Т.Н. Закисление вод: факторы, механизмы и экологические последствия. М: Наука, 2003, 276с.
Моисеенко Т.1/1. Теоретические основы нормирования антропогенных нагрузок на водоемы Субарктики. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 1997. 261 с.
Моисеенко Т.Н. Экотоксикологи-ческий подход к оценке качества вод //Водные ресурсы, 2005, т.32. №2. С. 184-195
Моисеенко Т.Н., Гашкина Н.А., Шарова Ю.Н., Покоева А. Г. Экотоксикологи-ческая оценка последствий загрязнения вод р. Волга и критических уровней //Водные ресурсы, 2005, Т. 32. №4. С. 410-423
Моисеенко,Т.И., Кудрявцева Л.П., Гашкина Н.А. Рассеянные элементы в поверхностных водах суши: технофильность, биоаккумуляция и экотоксикология. Наука. 2006.
Немова Н.Н., Высоцкая Р. У. Биохимическая индикация состояния рыб. М.: Наука. 2004.316с.
О дум Ю. Экология. М.: Мир, 1986. Т. I, 328 с.
Перечень рыбохозяйственных нормативов предельно-допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. М. Изд-во ВНИРО, 1999. 304с.
Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем (под. ред. В.А.Абакумова). Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1992, 318с.
Строганов Н.С. Биологический аспект проблемы нормы и патологии в водной токсикологии // Теоретические проблемы водной токсикологии. М.: Наука, 1983. С. 5-21.
Adams S. М., Ryon М. G. A comparison of health assessment approaches for evaluating the effects of contaminant-related stress on fish populations. Journal of Aquatic Ecosystem Health 3: 1994, P. 15-25.
Attrill MJ, Depledge MH. Community and population indicators of ecosystem health: targeting links between levels of biological organization. Aquat Toxicol 1997; 38:183-197
Bioassay methods for aquatic organisms. //Standart Methods for the Examination of Water and Wastewater (sixteenth edition). American Public Health Association. Washington. 1985
Campbell P.G.C. Interactions between trace metals and aquatic organisms: a critique of the free-ion activity model. In: Tessier, A., Turner, D.R. (Eds.), Metal spe-ciation and bioavailability in aquatic systems. John Wiley and sons Ltd, Chichester. 1995. UK. P. 45-102.
Canadian Water Quality Guidelines. Ottawa.Ontario. Published by Canadian Counil of Ministry of Environment. 1994. 76p.
Cash, K. J., Assessing and monitoring aquatic ecosystem health - approaches using individual, population, and community/ecosystem measurements. Northern River Basins Study Project Report No. 45, 1995, pp. 68.
Crommentuijn Т., Sijm D., Bruijn J., Hoop M., Leeuwen K., Plassche E. Maximum permissible and negligible concentrations for metals and metalloids in the Netherlands, taking into account background concentrations // Journal of Environmental Management. 2000. 60. P. 121-143.
Environmental Quality Objectives for Hazardous Substances in Aquatic Enviroment. Berlin. UMWELTBUNDESAMT. 2001. 186p.
Forstner U., Wittman G.T.W. Metal pollution in aquatic environment. Berlin, Heidelberg, Germany: Springer-Verlag, 1981. 272 p.
Lithner G. Quality criteria for lakes and watercourses. Background report 2 -Metals. //Swedish EPA Report 3628, 1989.
Moiseenko T.I. The fate of metals in Arctic surface waters. Method for defining critical levels.//The Science of the Total Environment. 1999. 236. P. 19-39.
Moriarty F. Ecotoxicology: The Study of Pollutants in Ecosystems. Academic Press inc. London, New York. 1989, 233p.
Munawar M., Dixon G., May field С. I. Environmental bioassay techniques and their application [Special Issue]. Hydrobiologia. 1989. V. 188/189 P. 1-680
Musibono D. E., Day J. A. The effect ofMn on mortality and growth in the freshwater amphipod Paramelita nigroculus (Barnard) exposed to a mixture of AI and Cu in acidic waters//Wat. Res., 1999. V. 33. N 1. P. 207-213.
Nelson W.O., Campbell P.G.C. The effects of acidification on the geochemistry of AI, Cd, Pb and Hg in freshwater environments: A literature review // Environmental Pollution, 1991. 71. P. 91-130.
Newman M.C., Jagoe Ch.H. (eds.) Ecotoxicology: a Hierarchical Trieatment. New-York, Levis publishers Ltd. 1996. 411p