Татьяна Моисеенко,
заместитель директора Института
водных проблем Российской
академии наук, чл.?корр.РАН
Работа выполнена при финансовой
поддержке РФФИ
(грант - 07-05-00302)
(Окончание. Начало см. в № 4 (8)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ДОЗЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Современный период характеризуется многофакторным загрязнением и практически не встречаются водные объекты, загрязненные каким либо одним веществом. Достаточно сложно учесть все прямые и опосредованные воздействия, взаимодействия техногенно-привнесенных веществ в водной среде, которые формируют опасные свойства вод. Как правило, токсичное загрязнение вод носит комплексных характер, сопровождается эвтрофированием, изменением солевого режима. Закисле-нию вод сопутствует выщелачивание токсичных элементов веществ, опасность которых для гидробионтов при низких рН повышается. Рассмотрим несколько разработанных методов определения интегрального показателя ( И ) загрязнения вод.
Ит„кс-1 = 2 (Ci/ПДК'О
Следует отметить, что, несмотря на критику значимости абсолютных значений ПДК, они дают представление об относительной опасности различных веществ и это позволяет нормировать элементы по их степени опасности для живых систем. Поэтому, такое суммирование может иметь место только для веществ и элементов с единым показателем вредности - токсикологическим. Согласно правилам (4), данный показатель не должен превышать единицы. Однако более корректно будет суммирование превышений концентраций к их пороговым значениям влияния на водные организмы, полученным в натурных исследованиях и известным в научной литературе (27, 30):
HToKc-2 = E(Ci/Cnopor.i)
К сожалению, такие данные очень ограничены, поскольку пороговое действие веществ в естественных условиях (в отличие от экспериментальных данных) мало исследовано. Принимается, что комплекс токсичных веществ оказывает аддитивное действие, однако возможно вводить коэффициенты на явления синергизма или антагонизма, если таковые данные известны.
(3) 2С«,аб[мкэкв/л]=0,059*РОВ 25[мг/л]
Полученные в натурных условиях
коэффициенты легли в основу компьютерной программы расчета интегральной дозы воздействия полиметаллического загрязнения в пределах Кольского Севера (15, 31):
(4) Итокс-з =2(С / ПДКм + Ccu ион/ПДКси
+ Ссьи„„/ПДКСс|+ )
Принималось, что токсичные свойства вод обусловлены ионами комплекса металлов, поэтому они нормировались по токсичным свойствам на основе данных ПДК. Этот метод позволил оценить значительные различия токсичных свойств вод антропогенно-закисленных озер, в которых металлы присутствуют в ионной форме, и природно-подкисленных - в которых металлы инактивированы гумусовыми кислотами (31).
Эвтрофирование вод (Иэ.т) можно оценивать по степени превышения содержания фосфора над фоновыми значениями (Сфос ) с учетом трофического статуса зоны (водоема). Если зона загрязнения соответствует мезот-рофному состоянию, значения увеличиваются вдвое, если эвтрофному - то втрое, как степень экологической опасности:
Иэвт = (Сфос.\ С фон (фос.).~ 1) х 2 (или 3)
Аналогично - можно оценивать изменения других физико-химических показателей вод (солевого состава, мутности и др.), которые в наибольшей степени изменяют условия обитания водных организмов:
Иф-х=2(С/Сфои.тах|- 1).
Общий интегральный показатель загрязнения вод (ИинтеФ) может быть определен сложением частных производных:
(7) Иинтегр = Итокс + Иэвт + Иф-х.
Несмотря на некоторую упрощенность метода определения показателя интегральной дозы многофакторного загрязнения и ряд допущений при его вычислении, этот показатель достаточно адекватно отражает опасные свойства вод, «настроен» таким образом, что в абсолютно чистых озерах Ии»тегр будет иметь нулевое значение и повышаться при любом виде загрязнения вод. Эта методика позволяет также выделить ведущий фактор в формировании дозы воздействия с учетом его экологической опасности.
РЕЗУЛЬТАТЫ АПРОБАЦИИ МЕТОДИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
Работоспособность методических решений апробирована на водных объектах, расположенных в различных природно-климатических зонах: водохранилищ Волжского бассейна, озер Субарктики (Кольский п-ов) и водохранилища в Субтропиках (Тайвань). Не углубляясь в изложение результатов исследований, которые детально изложены в цикле публикаций (10-12, 14, 15, 31), приведем в статье их заключительный этап - оценку качества вод в рамках изложенной экологической парадигмы «здоровья» экосистемы.
Волжский бассейн. Загрязнение Волжского бассейна из-за его географического положения в экономически развитом регионе России осуществляется в огромных масштабах. Рядом исследований доказано загрязнение вод и накопление в донных отложениях: тяжелых металлов, нефтепродуктов, полициклических ароматических углеводородов, бифени-лов, диоксинов и других химических соединений,особенно в местах сброса промышленных сточных вод (14). Следует отметить, что в последние годы вследствие общего экономического кризиса в стране и падения уровня производства снизилось поступление в реку загрязняющих веществ.
Комплексные экотоксикологические исследования были проведены в период 2000-2002 гг. (август-сентябрь) на 13 крупных участках в пределах Волжского бассейна - на Иваньковском, Горьковском, Куйбышевском водохранилищах, а также в нижнем течении р. Волга и дельты (14). Исследования были направлены на выявление максимально большего спектра веществ в воде, имеющих токсикологические свойства для живых организмов. Среди веществ органической природы впервые выявлен высокий уровень загрязнения вод эфирами фталевых кислот и производных диок-сана; среди элементов неорганической природы - V, Си и Мп. Установлено, что на участках реки Верхней Волги превалирует загрязнение вод металлами, на участках Средней и Нижней - органическими ксенобиотиками. Наиболее сильно загрязнены воды Горьковского водохранилища и участков Нижней Волги. На рисунке 1 отражен интегральный показатель нормированных к ПДК токсичных веществ, рассчитанный по наиболее упрощенной схеме (уравнение 1).
Синхронные исследования состояния здоровья рыб выявили морфо-функциональные нарушения и патологические изменения их органов и тканей, свидетельствующие об интоксикации организма. Наиболее часто патологии отмечены в Горьковском водохранилище и на участках Нижней Волги (ниже Астрахани), что согласуется с более высоким уровнем загрязнения вод этих участков. У многих рыб отмечены значительные нарушения: в печени - некроз гепатоцитов, канальцев и интерстициальной ткани, липоидная и гидроскопическая дегенерация паренхимы; в почках - соединительнотканные разрастания (фиброэластоз), пролиферативное и межуточное воспаления; в жабрах - аномалии структуры респираторных ламелл и эпителия фила-ментов жабр и др. Гематологические показатели исследованных рыб подтвердили интоксикацию рыб, которая сопровождалась появлением в крови патологических форм эритроцитов, изменением лейкоцитарной формулы в направлении увеличения относительного количества нейтрофилов и моноцитов [14]. Следует отметить, что в той или иной степени признаки интоксикации характеризовали всех обследованных особей в бассейне Волги, но далеко не у всех рыб они имели столь яркое проявление, которое может приводить к летальному исходу. Поэтому, выделялись здоровые особи и 3 стадии заболеваемости (1 - едва видимые изменения, 2 -заболевания средней тяжести и глубокие, 3 - отчетливо диагностируемые патологические нарушения), которые в практике мониторинга при небольших навыках легко диагностировать [13,14]. Общее состояние заболеваемости рыб (Z) в конкретной зоне загрязнения определялось, как выражение:
Z = (Ni + 2N2 + 3N3)/ZN,o.,
где Z - индекс заболеваемости рыб (0<=Z<=3), Ni, 2N2, ЗЫз - количество рыб, соответственно, на 1, 2 и 3 стадиях заболеваемости с учетом коэффициента его тяжести. Ntot - общее количество исследованных рыб в локальной зоне загрязнения. Если в водоеме все рыбы не имели признаков интоксикации, то Z был равен 0. Этот показатель повышается как при увеличении числа больных, так и степени тяжести заболевания, что позволило информативно диагностировать «здоровье» экосистемы, и, следовательно, давать суждение о качестве вод.
На рисунке 2 отражены доза-эффектные зависимости, в которых использовались показатели: % рыб на 2 и 3 стадиях заболеваемости и выше приведенный показатель заболеваемости рыб - Z.
Какие же выводы можно сделать из приведенных зависимостей?
Заболеваемость рыб в водохранилищах Волжского бассейна связана преимущественно с токсичным загрязнением вод. Поскольку обследовались участки за пределами влияния, каких либо прямых стоков, то полученные данные свидетельствуют о хронически неудовлетворительном состоянии «здоровья» континуума экосистем в масштабах всего бассейна и, соответственно, неблагоприятном в нем качестве вод. Бесспорно, что в таких крупномасштабных исследованиях на количественных измерениях и расчетах моготразиться ряд маскирующих прямых и неучтенных опосредованных эффектов.
В случае соблюдения установленных законом требований к качеству вод и интегральная доза воздействия, рассчитанная как сумма кратностей превышения ПДК, будет иметь нулевое значение, около 10% рыб будут иметь патологические изменения в организме (на 2 и 3 стадиях), а индекс заболеваемости будет около 1. Это может свидетельствовать о последствиях хронического воздействии токсичных веществ в течение предшествующих лет жизни рыб и необходимости учета фактора времени воздействия загрязненных вод. Поэтому, уровень загрязнения должен быть ниже как минимум в 10 раз.
Вторым этапом решался вопрос, -какие вещества являются наиболее вероятной причиной заболеваемости рыб. В таблице 2 приведены регрессионные зависимости между концентрациями опасных веществ в воде и патофизиологическими показателями исследованных рыб. Установленные связи позволяют предположить, что органические ксенобиотики, в особенности эфиры фталевой кислоты, оказывают негативное влияние преимущественно на печень и почки, микроэлементы, V, РЬ и др. - на систему кроветворения, хотя эти подразделения достаточно условны.
Третьим этапом было выявление кумулятивных эффектов неэссенцироэластоз). Эти заболевания сопровождаются симптомами общей интоксикации организма - липоидной дегенерацией и циррозом печени, анемией и другими нарушениями в системе кроветворения. Известно, что тяжелые металлы обладают высокой тропностью по отношению к почкам, вызывая тяжелые случаи нефропатии (15). На основе доза-эффектных зависимостей между показателями заболеваемости рыб (%) и интегрального показателя загрязнения вод металлами (Итокс-з) показано, что кри тическим уровнем комплексного влияния нормированных к ПДК ионов металлов будет значение менее 1, что ниже установленных правилами охраны вод лимитов (31).
Исходя из этого значения критического уровня Итоксз, было сделано заключение, что почти на 1/3 территории Кольского Севера его значения превышены и создается риск заболеваемости рыб и, возможно, человека вследствие образования техногенных геохимических аномалий. Вокруг металлургических комплексов высокие значения И™с-з обуславливаются аэротехногенным загрязнением водосборов от плавильных цехов медно-ни-келевой индустрии, где вклад Ni и Си в формирование дозы воздействия определяющий. В отдаленных от индустриальных центров восточных районах - за счет опосредованного выщелачивания металлов кислотными осадками. Здесь критические уровни обусловлены, прежде всего, ионными формами Al, Sr. Zn и других подвижных металлов, что подтверждается отрицательной корреляцией между значениями Итокс-з и рН (г = -0,64, п=250) (31).
Для антропогенно-закисленных озер нормативы качества вод должны быть значительно более жесткими, ориентированными на концентрации металлов в воде в их ионной форме и учитывать значения рН и концентрации кальция.
Озеро Имандра, самый крупный водоем Кольского Севера, много лет загрязняется стоками медно-никеле-евого и горно-обогатительного производства, Кольской АЭС, хозбыто-выми стоками городов и поселков. Массовые заболевания рыб регистрируются с 1970-х годов: отеки; эксудаты; кровоизлияния; изменения в стенках кровеносных сосудов; белково-жировая (токсическая) дистрофия печени, ведущая к атрофии органа; соединительно-тканные разрастания; изменения эпителия и др. Наряду с общими патологиями у рыб появляются специфические заболевания, характерные для озера - нефрокаль-цитоз (камни в почках). Частота заболеваемости рыб (% от обследованных) тесно связана с концентрацией никеля в воде и накоплением его в почках. После 90-х годов, вследствие экономического кризиса, антропогенная нагрузка на озеро снизилась, соответственно - снизилась частота заболеваемости рыб (10).
Расчет дозы воздействия выполнен по четвертой модели, уравнение 7 (Интеграл). На рисунке 3 приведены расчеты Интеграл для трех временных периодов - 1986,1996 и 2003 гг. Эти данные отразили динамику загрязнения в зоне влияния медно-никелевого, апатито-нефелинового производств, а также смешанного стока из наиболее загрязненного плеса - Большая Имандра. Для оценки эффектов использовались такие критерии, как % заболеваемости, индекс Z, а также % рыб с анемией (концентрацией гемоглобина ниже порога нормы для сигов-80%) (рис. 4).
Какие выводы можно сделать из полученных данных и доза-эффектных завистей?
Показатель токсичного загрязнения вод за последние почти 20 лет значительно снизился. Основные физико-химические показатели, изменившиеся в период интенсивного загрязнения озера, остаются стабильными и не улучшаются. Эвтрофирование вод прогрессирует и становится характерным для всего озера.
При значениях интегрального показателя качества вод, близком к единице, в организме рыб развиваются патологии и дисфункции. Среди рассмотренных критериев оценки «здоровья» экосистем, наиболее четкие связи с загрязнением вод имеет предложенный нами индекс Z, отражающий и массовость заболеваний и степень их тяжести.
Полученные доза-эффектные зависимости однозначно свидетельствуют, что «здоровье» водной арктической экосистемы становится не благополучным даже при условии, что концентрации в воде металлов ниже принятых в России нормативов. Для арктических водных систем необходимо ужесточение нормативов не менее чем в 3-5 раз.
Водохранилище питьевого назначения Тзень-Вень в Тайване. Апробация разработанных методов была проведена и в условиях муссонно-го климата в рамках Российско-Тайваньского двухстороннего проекта. Исследованное водохранилище расположено на значительном удалении от прямых источников загрязнения. Анализ данных мониторинга питьевых вод, который проводился Тайваньской стороной до начала исследований, не выявил наличия значимых концентраций токсичных элементов в воде. Наши исследования патофизиологического состояния рыб диагностировали: липоидную дегенерацию и некроз клеток печени, патологии жаберного аппарата, новообразования и др. Характер симптомов заболеваний, подтвержденных гистологическими данными, позволил предположить их связь с неблагоприятным качеством вод.
Дополнительные детальные исследования химического состава вод выявили аномально высокие концентрации лабильного алюминия в воде (до 1500 мкг/л), а также повышенные концентрации меди, свинца и ряда других металлов. Эти выводы согласовались с данными о выпадении сильно закисленных осадков в первый период муссонных дождей, которые выщелачивали лабильный алюминий и другие элементы из развитых на водосборе алюмосодержащих геологических формаций.
Были получены достоверные зависимости дозы воздействия, рассчитанной как сумма нормированных к ПДК металлов (уравнение1), с интегральным показателями здоровья рыб Z: Z = 2.2Htokc -7.5, г2 = 0.71
Также был выявлен феномен накопления ртути в печени и мышцах рыб. Как известно, накопление ртути приводит к тяжелым патологическим изменения в организме рыб (15). Полученные данные с большой долей вероятности позволили сделать заключение о неудовлетворительном качстве вод в водохранилище питьевого назначения в Тайване. Такаим образом, несмотря на сложность и многообразие возможных частных решений по вопросам оценок качества вод и нормирования загрязнения, рассмотренная методология с позиций экологического императива достаточно универсальна. На основе доза-эффектных зависимостей между биологическими критериями «здоровья» экосистем и интегральными гидрохимическими показателями можно раскрыть причинно-следственные связи и ответить на значимый в практическом плане вопрос: до какой степени необходимо снизить уровень загрязненности водных объектов, чтобы качество вод было благоприятным для водных обитателей.
При выработке понятия допустимой антропогенной нагрузки на конкретные природные объекты целесообразно задаться условиями «сохранения среды». Бесспорно, требования к различным водным объектам, например, заповедным, питьевого назначения или урбанизированным могут существенно различаться.
Приведенные результаты синхронных комплексных исследований в рамках изложенной методологии позволили сделать заключение о неблагоприятном качестве вод на ряде водных объектов, исходя из показателей заболеваемости рыб, как индикаторов «здоровья» экосистемы. Доза-эффектные зависимости подтвердили, что основной причиной патофизиологических нарушений в организме рыб является загрязнение вод токсичными элементами с учетом их пролонгированного действия.
Более 60% проживающего на берегах Волги населения потребляют питьевую воду из этой реки, города Мурманской области - Апатиты, Полярные зори, Мончегорск, Оленегорск и поселки используют для питьевого водоснабжения воду из загрязненных металлами водных объектов, где выявлены хронические интоксикации рыб. Необходимо еще раз подчеркнуть, что актуальность выявления неблагоприятного качества воды на основе исследования организма рыб подтверждается тем, что многие физиологические системы рыб сходны с теплокровными животными, это позволяет предполагать последствия нахождения токсичных веществ в водной среде и для здоровья человека.
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. 296с.
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 С ПДК и ОБУВ) загрязняющих веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. Под ред. О.Ф. Филенко. М, Издательство ВНИ-РО, 1998.
Моисеенко Т.П. 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.Н. 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 И.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.Н., 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.
Одум 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., Mayfield 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 Al 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 Al, 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
Источник:
журнал Вода Magazine №7 (11), июль 2008 г.