Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Основные группы токсических веществ, загрязняющих водную среду

2. Источники и пути токсического загрязнения водоёмов

3. Распространение, миграции и трансформации токсикантов в водной среде

4. Биотрансформация токсичных загрязнителей в водных экосистемах

5. Типизация загрязнений водоёмов и исследование векторов влияния разных их типов на водную биоту

6. Закономерности реагирования водных экосистем на загрязнение

7. Общие механизмы токсического действия загрязнителей водной среды

8. Биологические методы оценки степени загрязнения водоёмов токсичными веществами

9. Нормирование качества воды

10.Ихтиотоксикология как раздел водной токсикологии, основные направления исследований и значение для рыбного хозяйства

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Водная токсикология - это наука о токсических свойствах водной среды по отношению к представителям биоты водоемов. Предметом ее исследования является многообразие, происхождение, структура, поведение, пути миграции и механизмы трансформации токсических веществ в водной среде и их воздействие на гидробионтов.

Объектами исследования выступают водоемы, которые страдают от загрязнения токсичными веществами, источники загрязнения водной среды, водные экосистемы и их составные части.

Основными задачами водной токсикологии выступают: исследование типов и компонентного состава загрязнений; происхождения, структуры и свойств токсических веществ; характера их воздействия на живые организмы, составляющие водные экосистемы. Конечной целью токсикологических исследований является определение и прогнозирование эколого-токсикологической ситуации на водных объектах и обоснование путей уменьшения токсической угрозы для человека как потребителя воды и гидробиоресурсов.

Водная токсикология как самостоятельная наука начала формироваться в середине XIX века на базе санитарной гидробиологии. Максимально интенсивное ее развитие приходится на середину и вторую половину ХХ века. Основоположником водной токсикологии по праву считают М.С.Строганова. Им впервые были четко сформулированы задачи этой науки, введен сам термин «водная токсикология», определены критерии токсичности загрязняющих водоемы веществ. Значительный вклад в развитие науки внесли и такие ученые как Э.А.Веселов, В.И.Лукьяненко, Б.О.Флеров, О.Ф.Филенко, Л.П.Брагинский, В.Д.Романенко и др.

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

токсический загрязняющий водный экосистема



1. Основные группы токсических веществ, загрязняющих водную среду

Загрязняющие вещества - это соединения, которые поступают в окружающую среду или образуются в ней в количествах, выходящих за пределы обычного присутствия - предельных естественных колебаний или среднего природного фона. Они вызывают негативные изменения качества среды и заболевания или гибель живых организмов, которые его населяют. Такие свойства загрязняющих веществ называются токсическими, а они сами - токсикантами. В наше время по оценке ЕРА (United States Environmental Protection Agency) существует более 5 млн. наименований токсических веществ, используемых человеком в ходе хозяйствен- ной деятельности, которые потом различными путями поступают в водные объекты. Среди них значительную часть составляют искусственно синтезированные токсичные загрязнители. Такое многообразие не может быть контролируемо без применения классификаций, которые должны учитывать все стороны влияния ядов на биологические и экологические системы. Огромное количество токсичных веществ, их различное строение, неодинаковая степень токсичности и уровень опасности, разные механизмы действия на живые организмы и характер поражения биологических объектов не позволяют создать единую универсальную классификацию. Поэтому сейчас широко используется целый ряд классификаций, которые несколько облегчают контроль за загрязнением водоемов - по степени токсичности; по химическому строению и специфике токсического действия; по механизму токсического действия и т.п. Огромное разнообразие токсикантов исключает возможность систематического контроля за ними всеми с точки зрения объема проведения и стоимости исследований. В связи с этим для систематического мониторинга качества воды по токсикологическим показателям выделяют группу приоритетных токсикантов. Основными признаками приоритетности загрязнителей является их глобальное распространение, высокая устойчивость к трансформациям, длительный период разрушения; высокая токсичность в низких концентрациях; способность к биоаккумуляции и биомагнификации. Вещества , отвечающие указанным критериям , называют экотоксикантами. К приоритетным токсикантам относятся тяжелые металлы, нефть и нефтепродукты, фенолы и т.д. Разнообразие химического состава и строения токсичных веществ обуславливает разнообразие форм их существования в водной среде. По фазово-дисперсному состоянию среди токсикантов выделяют растворы (настоящие либо коллоидные ) и взвеси ( эмульсии либо суспензии). Многие токсичные вещества могут присутствовать в водной среде одновременно в нескольких формах. Наиболее исследованы в этом плане металлические яды. В зависимости от условий среды (pH, окислительно-восстановительного потенциала Еh, наличия лигандов) металлы могут одновременно существовать в разных степенях окисления и входят в состав разнообразных неорганических и металлоорганических соединений, которые могут быть растворимыми, коллоидно-дисперсными или существовать в виде минеральных или ор- ганических взвесей.

2. Источники и пути токсического загрязнения водоемов

токсический загрязняющий водный экосистема

Источниками токсического загрязнения водоемов считаются субъекты и объекты окружающей среды, которые непосредственно обеспечивают поступление токсичных веществ в водные экосистемы.

Водотоки (реки, притоки рек, ирригационные и оросительные каналы, ручьи), которые разносят токсичные вещества, полученные из разных источников, рассматриваются как доноры токсического загрязнения. Водоемы, принимающие стоки от источников или доноров, выступают реципиентами токсического загрязнения. По происхождению различают природные и антропогенные загрязнения. Антропогенные загрязнения бывают первичными и вторичными, контролируемыми и неконтролируемыми.

Относительно пространственного распространения и размера охваченных территорий различают локальные, региональные и глобальные загрязнения. По силе и характеру воздействия на окружающую среду выделяют фоновые, импактные, перманентные и катастрофические загрязнения. Исследование токсификации водной среды в рыбохозяйственных водоемах показывает, что носителями токсичности могут быть водные массы, взвеси, донные илы, планктон. В совокупности они образуют токсикогенный сток (Ft):

Ft = Fi + Fо + Fm + Fs + Fр,

где Fi - ионный сток; Fо + Fm - сток растворенных органических и минеральных веществ, Fs - сток взвесей, Fp - сток биологически аккумулированных веществ.

Путями поступления токсикантов в водоемы являются атмосферный перенос и осадки; поверхностные диффузные смывы с водосборной площади; грунтовые воды; сброс промышленных и коммунально-бытовых стоков непосредственно в водные объекты. Каждый из этих путей вносит свой вклад в формирование общего токсикогенного стока в водоемы. Размер такого взноса не является постоянной величиной и меняется в зависимости от климатических и погодных условий на территории, где расположен водоем, геоморфологии и рельефа ландшафтов, глубины расположения водоподпорных горизонтов и залегания грунтовых вод, социально-экономической структуры региона.

К основным параметрам, которые позволяют оценить уровень токсического загрязнения водных экосистем, относятся: содержание доминирующих устойчивых токсикантов в водных массах, донных отложениях и организмах-мониторах; коэффициент донной аккумуляции; коэффициент биологической аккумуляции; коэффициент магнификации; степень превышения рыбохозяйственных ПДК; степень превышения лимитирующего показателя вредности. Направление развития токсических процессов в водоемах определяется коэффициентами донной и биологической аккумуляции. Их рост свидетельствует о прогрессирующем загрязнения водоемов, уменьшение - о снижении уровня загрязнения и активизацию процессов детоксикации и самоочищения водоемов.

3. Распространение, миграции и трансформация токсикантов в водной среде

Любая экосистема, в том числе и водная, в основе своего функционирования имеет круговорот веществ и энергии. Водоемы различного типа и назначения со временными исследователями рассматриваются как открытые термодинамические системы, в которые постоянно поступают аллохтонные неорганические и органические вещества и выделяются автохтонные соединения - продукты жизнедеятельности гидробионтов и окислительно-восстановительных химических реакций.

Вещества, поступившие в водную среду, немедленно вовлекаются в цепи различных перемещений и преобразований. При этом происходят физические (механическое перемешивание и перенос, разбавление, испарение, осаждение, адсорбция и десорбция, фотолиз) и геологические процессы (захоронение в донных отложениях и породообразование), химические (диссоциация, гидролиз, окислительно- восстановительные реакции, комплексообразование) и биологические (поглощение живыми организмами, разрушение и преобразование с участием ферментов) трансформации.

Среди физических процессов наиболее важное значение имеет фотолиз. В результате фотолиза возможна деградация и разрушение устойчивых токсичных загрязнителей водной среды, особенно в регионах с высокой солнечной активностью. Однако часто при фотолизе образуются новые вещества, токсичность которых выше, чем у исходных соединений.

Иногда в электронно-возбужденной молекуле происходит перегруппировка атомов, вызывающая полимеризацию и образование различных изомеров. Если молекула получает большое количество энергии, может произойти разрыв химических связей с образованием двух молекулярных обломков, которые очень часто являются свободными радикалами или активными атомами.

Основная же масса трансформаций токсичных веществ в водной среде осуществляется в результате разнообразных химических реакций, важнейшими из которых являются гидролиз, окислительно-восстановительные реакции, комплексообразование.

Сосуществование в водной среде огромного количества разнонаправленных физических, химических и биологических процессов в нормальных условиях четко взаимосогласовано, что позволяет водным экосистемам стабильно поддерживать на высоком уровне качество воды. Нарушение сбалансированности процессов вызывает самозагрязнение водоемов. Однако, процессам замозагрязнения в водоемах различных типов противостоят процессы самоочищения, под которыми понимают совокупность реакций расщепления и выведения загрязняющих веществ из круговорота водной среды.

4. Биотрансформация токсичных загрязнителей в водных экосистемах

Направления, формы и скорость трансформации токсических веществ в водной среде определяют возможность их попадания в организмы гидробионтов и включение в метаболические процессы , т.е. обуславливают определенный уровень «биодоступности» ксенобиотиков. Биодоступность зависит от химического строения токсичных веществ, уровня токсичности соединений для организма-мишени, их концентрации в окружающей среде, условий среды, которые влияют на скорость переноса соединений в живые организмы, от генетических свойств самих организмов, строения их покровных тканей, наличия различных путей и механизмов переноса токсичных веществ. Абиотические трансформации токсичных веществ происходят достаточно медленно. Значительно быстрее ксенобиотики деградируют при участии биоты, особенно микроорганизмов (главным образом бактерий и грибов). Микробиологическая трансформация токсичных соединений, попавших в водную среду, может протекать в различных направлениях, приводя к минерализации, аккумуляции или полимеризации исходных реагентов.

Токсичные соединения, которые подвергаются полной деградации, используются микроорганизмами как ростовые субстраты и проходят полный метаболический цикл. Частичная трансформация токсикантов происходит в процессах кометаболизма или соокисления и не связана с включением метаболитов в циклы питания микроорганизмов. Наконец, некоторые ароматические углеводороды и синтетические полимеры вообще не поддаются биологической трансформации. В преобразовании токсичных веществ активное участие принимают и гидробионты высших уровней биологической организации, например, моллюски, рыбы, водные млекопитающие. У них основные механизмы трансформации ксенобиотиков заложены в обмен веществ, при этом биохимические процессы превращения токсикантов четко скоординированы в пространстве и времени, благодаря чему различные процессы, иногда прямо противоположные, осуществляются, не мешая друг другу.

Метаболизм ксенобиотиков проходит в две фазы:

1 - окислительно-восстановительное или гидролитическое превращение,

2 - синтетические процессы конъюгации промежуточных продуктов метаболизма с эндогенными веществами, в результате чего образуются полярные соединения, которые выводятся из организма с помощью механизмов экскреции. Во всех преобразованиях определяющая роль принадлежит ферментам, которые обеспечивают сопряженность трансформаций на метаболическом и энергетическом уровнях, создают условия для саморегуляции и поддержания гомеостаза живых организмов. Последствиями модификации токсикантов могут быть: ослабление токсичности , усиление токсичности , изменение характера токсического действия. Если в результате преобразования токсикантов в организме гидробионтов образуются производные, более токсичные, чем исходные вещества, имеет место, так называемый, летальный синтез.

5. Типизация загрязнений водоемов и исследование векторов влияния разных их типов на водную биоту

Различают ингредиентное и параметрическое загрязнение водоемов. Ингредиентное загрязнение - это поступление в водоемы инородных веществ или изменение количественного соотношения между основными составляющими гидрохимического состава естественных вод за счет, как алохтонныхх, так и автохтонных, процессов. Параметрическое загрязнение - это изменение качественных параметров водной среды. Ингредиентное загрязнение включает сапробизацию, эвтрофикацию, токсификацию и ацидофикацию; к параметрическому относят нуклидизацию и термофикацию. Наличие в воде органических веществ является одним из важных факторов, который определяет экологическое качество водной среды.

Степень загрязнения водных объектов органическими веществами определяет их сапробность. По происхождению органические вещества водоемов делят на аллохтонные и автохтонные. Аллохтонными называются загрязнители, которые поступают в водоем из вне. Автохтонные органические вещества образуются в самой водной экосистеме в процессе жизнедеятельности гидробионтов. Наибольшую массу органического вещества продуцируют фитопланктон и макрофиты в процессе фотосинтеза. Значительную часть автохтонного органического вещества составляет детрит, или мертвое органическое вещество, которое образуется в результате разложения органических остатков растительного и животного происхождения.

Загрязнение водоемов органическими веществами вызывает изменение цвета, прозрачности и мутности воды, ухудшает кислородный режим, вызывает появление токсичных метаболитов, таких как аммиак, сероводород, метан. Некоторые группы органических токсикантов, особенно искусственно синтезированных, имеют специфическое токсическое действие как локального, так и резорбтивного характера. За степенью загрязнения органическими веществами воды делят на поли-, Ь- мезо-, в-мезо-, олиго- и ксеносапробные, а гидробионтов, которые живут в них, на поли-, мезо- и олигосапробов. Обитателей особо чистых вод называют катаробами, а особо загрязненных - гиперсапробами.

Степень сапробности определяется видовым составом бактерио-, фито- и зоопланктона, бентоса и перифитона. Одним из основных показателей оценки сапробности водных объектов выступает количественная характеристика наличия или отсутствия в воде свободного кислорода. Чем выше загрязнение водоема органическими веществами, тем большее количество кислорода расходуется на окисление и тем меньше его остается в воде. Зоны сапробности наиболее четко прослеживаются в малых реках с замедленным течением. В прудах, озерах и водохранилищах поток загрязнений от сточных труб и других точечных источников распространяется концентрически, потому зоны сапробности формируются по кольцевой схеме. При штормовом и турбулентном перемешивании вод пределы между зонами сапробности стираются.

Биогенное загрязнение водоемов

Концентрации биогенных элементов в воде характеризуют трофность водных объектов. По трофности различают олиго-, мезо- и эвтрофные водоемы. В зависимости от количества биогенов, которые поступают в водные экосистемы, может происходить переход олиготрофных водоемов в мезотрофные и эвтрофные - наиболее биологически продуктивные. Но при превышении некоторого кри тического, индивидуального для каждой экосистемы, уровня биогенной нагрузки наступает стадия гипертрофии, которая проявляется в резком снижении продуктивности водоемов и ухудшении качества воды. Чрезмерное поступление в водную среду биогенных элементов нарушает равновесие продукционно-деструкционных процессов и рассматривается как биогенное загрязнение водных экосистем.

В эвтрофных водоемах существенно изменяются физико-химические свойства среды: повышается мутность, падает прозрачность воды, снижается уровень насыщения воды кислородом, в придонных слоях появляются анаэробные зоны. Накопление чрезмерного количества органических веществ в донных иловых отложениях сопровождается образованием метана, водорода, сероводорода, аммиака, которые могут выделяться в виде пузырьков, а при растворении в воде вызывают появление неприятного запаха и имеют токсичное влияние на рыб и беспозвоночных, особенно зимой в подледный период, что вызывает массовую гибель рыб и их естественной кормовой базы.

В высокоэвтрофных водоемах для большинства водных обитателей создаются неблагоприятные условия существования. Как следствие - уменьшается видовое разнообразие промышленно ценных видов рыб. В местах концентрирования и разложения сине-зеленых водорослей массово погибает рыба в результате отравления продуктами лизиса водорослей и кислородного дефицита, обусловленного процессами гниения. Степень эвтрофикации водоемов оценивают по биологическим, химическим и физическим показателям, которые отличаются для поверхностных и глубинных вод:

для поверхностных вод - по видовому составу, численности, биомассе и продукции водорослей, численности сапрофитных бактерий, видовому составу и уровню развития макрофитов, концентрации Р-РО4 или сумме фосфорсодержащих компонентов в воде в начале весенней циркуляции;

для глубинных вод - по содержанию кислорода в воде в летний период, БСК5, концентрации СО2, уровню накопления Р-РО4 и растворимых соединений азота, образованию метана и сероводорода в донных отложениях.

Для предупреждения эвтрофикации водоемов важнейшим мероприятием является ограничение стока биогенных элементов. Это может быть осуществлено различными путями - повышением культуры земледелия, перехватом биогенов из поверхностных стоков с помощью дренажных систем и отстойников и отведением собранных сточных вод за пределы водосбора. Перспективным направлением является фитомелиорация прибрежных территорий.

Токсическое загрязнение водоемов

Основным источником токсического загрязнения водоемов является хозяйственная деятельность человека во всей совокупности ее направлений. В процессе производства разные отрасли хозяйства сбрасывают в водоемы сточные воды, которые содержат целый комплекс химических веществ, способных вызывать патологические нарушения в функционировании отдельных организмов или их смерть, а также изменяют ход всех внутриводоемных процессов, в результате чего изменяется структура биотических комплексов и отмечаются признаки деградации водных экосистем.

Кроме антропогенного происхождения токсичность водной среды может быть вызвана и поступлением в воду токсинов, выработанных в процессе жизнедеятельности самих гидробионтов(естественная токсичность). Сточные воды промышленных предприятий, как правило, содержат целый комплекс токсикантов разной химической природы. Влияние многокомпонентных сточных вод на водные экосистемы имеет комплексный характер, а роль отдельных компонентов не всегда можно выделить и оценить.

В связи с этим, наряду с определением степени токсичности отдельных ингредиентов промышленных сточных вод важным является установление характера взаимодействия разных веществ, объединенных признаками химического сродства или общностью технологического процесса.

Различают следующие виды комбинированного действия ядов:

1) независимое совместное действие, когда каждый из нескольких ядов имеет разные физиологические механизмы действия, то есть влияет на разные функциональные системы;

2) одинаковое совместное действие, при котором яды имеют одинаковый механизм токсического действия, а токсические эффекты накладываются друг на друга;

3) аддитивное действие, когда токсические эффекты всех компонентов суммируются;

4) синергическое действие, когда токсичность смеси превышает суммарную токсичность ее компонентов;

5) антагонистическое действие - снижение токсичности смеси по сравнению с токсичностью ее компонентов.

Среди токсического загрязнения водоемов отдельно выделяют ацидофикацию - подкисление водной среды в результате попадания в водоемы кислотных осадков или подкисленных вод поверхностного стока. Под воздействием ацидофикации в водоемах происходит перестройка планктонных сообществ, погибает зоопланктон и зообентос, наблюдаются ожоги на листьях макрофитов, отмечаются кислотные болезни у рыб и их гибель.

Противодействовать токсическому загрязнению водоемов призванны разнообразные методы очистки сточных вод (поверхностных, бытовых, промышленных). Наиболее перспективным и радикальным решением проблемы загрязнения водоемов является строительство современных многоуровневых очистных сооружений, где процесс очищения сточных вод включает первичную (механическую), вторичную (биологическую) и третичную (химическую) очистку, дезинфекцию и дезодорацию воды.

Целевым назначением очистных сооружений является предупреждение влияния сточных вод на качество воды водоемов хозяйственно-бытового назначения в пределах населенных пунктов и рыбохозяйственного назначения вне населенных пунктов.

Радиационное загрязнение водоемов

Радиационное загрязнение водоемов обусловливается естественными и искусственными радионуклидами, которые образуются в процессе радиоактивного распада химических элементов.

Радиоактивным распадом называется способность ядер атомов самовольно превращаться в другие ядра или переходить из возбужденного состояния в основное. В отличие от обычных реакций, связанных с изменениями в электронной оболочке атомов, радиоактивный распад является химической реакцией непосредственно в атомном ядре. В результате процессов выщелачивания, выветривания и эрозии горных пород, космического излучения и так далее в биосфере происходит непрерывная миграция paдиoнуклидов.

Естественными радионуклидами обуславливается природный радиационный фон территорий. Кроме естественных существуют искусственные радионуклиды, которые различными путями поступают в водоемы, вызывая их радиационное загрязнение.

Для гидросферы основной взнос в дозовую нагрузку формируется радионуклидами калия (40К), рубидия ( 87Rb), урана (235U, 238U) и тория (232Th). Степень радиоактивности речных вод зависит от их минерализации.

Радиоактивность озерных вод тесно связана с химическим составом воды притоков и подземных источников, которые питают озеро. Основной причиной повышения радиоактивности озерных вод является концентрирование радиоизотопов в результате испарения, особенно в зонах недостаточного увлажнения.

В океан радиоактивные вещества попадают преимущественно в результате выветривания горных пород, поверхностного и подземного стоков. Меньшая роль принадлежит абразии берегов, вулканической активности, эоловой и космической пыли. Радиоактивность подземных вод обусловлена составом горных пород, в которых они формируются.

Попав в водную среду, радионуклиды включаются в процессы миграции и распределения в абиотических (вода, взвеси, донные отложения) и биотических (гидробионты различных трофических уровней) компонентах водных экосистем.

Количественная и пространственная миграция радионуклидов определяется их способностью растворяться в воде, образовывать коллоиды и псевдоколлоиды, абсорбироваться на взвешенных частицах. Наибольшая миграционная активность и рассеивание в естественных водах характерны для 238U и 40К, в меньшей мере - для 226Ra, еще меньше - для 232Th, 210Рb и 210 Po.

Для оценки содержания и распределения радионуклидов в водной экосистеме было предложено использовать понятие радиоемкости водоема. Радионуклидное загрязнение водоемов сопровождается прямым поражением биосистем путем воздействия ионизирующего излучения и опосредствованным - через нарушение сбалансированных структурно-метаболических связей в гидробиоценозах.

Одним из типов параметрического загрязнения водоемов выступает термофикация - то есть изменение термических режимов вод в результате сброса подогретых водных масс. Изменение термического режима водоемов вызывает перестройку их флоры и фауны, часто провоцируя существенные сдвиги в нежелательном направлении в структуре и функционировании исходных экосистем.

6. Закономерности реагирования водных экосистем на загрязнение

Водная экосистема представляет собой единство водного объекта и водосборной площади. При поступлении в водоемы токсических веществ происходит перераспределение функций между их составляющими. Водосборная площадь вместе с судоходством воспринимается как единая подсистема первого порядка «берег» и рассматривается как источник загрязнения, а собственно водный объект - как подсистема «вода».

Подсистемы «берег» и «вода» неоднородны и имеют разные составляющие, которые выполняют различные функции, - транзит, трансформация и аккумуляция токсикантов. Между «берегом» и «водой» функционируют промежуточные буферные подсистемы (леса, лесополосы, луга, поля), которые задерживают миграцию токсикантов от источников загрязнения к водным объектам, выполняя роль биофильтров.

К показателям, которые свидетельствуют о поступлении в водоемы токсических веществ и развитии токсификации водной среды, относятся: изменение физических и физико-химических свойств воды, ухудшение кислородного режима, изменение химического режима вод, аккумуляция токсикантов в компонентах экосистем, хронические и острые отравления гидробионтов; перестройка структуры сообществ, вымирания флоры и фауны водоемов.

Водные экосистемы рассматриваются как открытые термодинамические системы, которые имеют структурную целостность и характеризуются функциональным единством структурных компонентов, которое осуществляется в направлении динамического саморазвития за счет саморегуляции и адаптации.

Реакция-ответ водной экосистемы на действие токсических веществ характеризуется определенными пространственно-временными фазами:

1) рецепция и первичная реакция;

2) самоанализ системы;

3) обратная связь и саморегуляция системы;

4) внешний ответ;

5) конечное действие.

В основе реагирования водных экосистем на влияние токсикантов лежат законы термодинамики и принцип Ле-Шателье - Брауна. Структурная организация водной биоты, которая сложилась в ходе эволюционного процесса, определяет разные уровни реагирования гидробионтов на повреждающее действие токсических веществ, причем каждый высший уровень организации корректирует изменения, которые происходят на низших уровнях, и, в свою очередь, корректируется высшими уровнями.

Сложная структура водных экосистем обуславливает значительное разнообразие реакций реагирования на токсическое загрязнение представителей биоты, которые относятся к растительному и животному миру.

Механизм реагирования заключается в последовательном изменении биохимических процессов и физиологических реакций организма, направленных на восстановление поврежденных функций (компенсаторные реакции). В случае длительного воздействия или высокой интенсивности фактора, который обуславливает глубокие необратимые повреждения, развиваются разные патологии, или организм погибает.

7. Общие механизмы токсического действия загрязнителей водной среды

Живые организмы, в том числе и все гидробионты, большинством ученых рассматриваются как концентраторы химических элементов.

Выделяют два основных пути поступления ядов различного происхождения в организмы гидробионтов:

1) непосредственно из воды в процессе биосорбции через органы дыхания и кожаные покровы - парентеральный путь;

2) в составе пищи по трофическим цепям через пищеварительную систему - пероральное питание.

Кроме отмеченных выше, выделяют еще один, независимый путь, связанный с поглощением неорганических соединений, адсорбируемых на частицах взвесей. Взаимодействие токсикантов или продуктов их превращения в живых организмах со структурными элементами биосистем, которое лежит в основе развития токсического процесса, называется механизмом токсического действия.

За механизмами токсического действия все яды делят на две большие группы: локальные и резорбтивные. Процесс интоксикации в любом живом организме начинается с патогенного действия ядов в местах их проникновения, а также рефлекторными реакциями со стороны нервной системы.

В дальнейшем, после попадания в кровь токсические вещества, соединяясь с белками, нарушают физико-химические процессы в ее плазме и клеточных элементах. Разносясь током крови, они фиксируются в различных тканях и органах в соответствии с сорбционной емкостью и биохимическим сродством последних по отношению к отдельным токсикантам.

Механизм действия большинства ядов тесно связан с включением их в разные звенья биологических процессов за счет физико-химических и химических реакций. Решающее значение в процессе развития интоксикаций у гидробионтов имеют две переменные величины - концентрация токсических веществ в воде и время экспозиции организма гидробионтов к яду. Высокие концентрации токсикантов вызывают гибель гидробионтов за короткий промежуток времени, низкие - имеют пролонгированное действие.

По скорости хода токсического процесса выделяют острые, подострые и хронические отравления (токсикозы). В условиях незначительного, но систематического загрязнения водоемов токсикантами, даже в пределах их предельно допустимых концентраций, также возможно развитие токсического процесса. В таком случае мы имеем дело с куммулятивным эффектом. Практически все гидробионты, как растительные, так и животные организмы разной сложности организации, способны длительное время накапливать токсичные вещества или токсичные эффекты.

Механизм развития куммулятивных токсикозов заключается в высокой скорости поступления токсичных веществ в организмы гидробионтов и низкой скорости их выведения, либо наложении следовых реакций друг на друга.

Куммулятивный токсикоз может возникать не только в результате прямого поглощения токсикантов из воды. Одной из специфических особенностей водных экосистем есть передача токсикантов по трофическим цепям, т.н. биомагнификация.

8. Биологические методы оценки степени загрязнения водоемов токсичными веществами

Биоиндикация - это метод оценки качества воды и экологического или токсикологического состояния водоемов по составу видов-индикаторов либо по структурным или структурно-функциональным показателям гидробиоценозов. Иначе говоря, биоиндикация - это способ оценки антропогенной нагрузки, в том числе и токсической, на водоемы по реакциям на нее живых организмов и их сообществ.

Данный подход базируется на положении о том, что все живые и неживые компоненты водных экосистем тесно взаимосвязаны между собой, а значит, токсическое загрязнение и ухудшение качества воды в водоемах адекватно отражается и на их жителях. Изменения, которые происходят под воздействием токсических веществ, поступающих в водоемы, наиболее четко проявляются на надорганизменных уровнях организации биотических систем: изменяется видовой состав и уровень биоразнообразия, происходит перестройка структурно-функциональной организации гидробиоценозов. В критических ситуациях жизнь в водоемах прекращается. Это касается определенного времени, после чего гидробиоценозы восстанавливаются.

Основой задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы объективно отображать уровень антропогенного воздействия на среду обитания гидробионтов с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в чувствительных компонентах гидробиоценозов.

Наряду с биоиндикацией с той же целью используют комбинированный метод - биомониторинг, основанный на исследовании структурных изменений гидробиоценозов и аналитическом определении содержания стойких токсикантов в тканях и органах организмов-мониторов.

Организмами-мониторами являются организмы, способные отражать протекание процессов токсификация в водной среде. Ними считаются биоконцентраторы - организмы, которые способны накапливать токсичные вещества. Способность организмов-мониторов накапливать токсиканты количественно характеризуется коэффициентом биологического накопления, который представляет собой отношение концентрации устойчивых токсикантов в компонентах биоты к их содержанию в водных массах.

Биомониторинг качества водной среды является неотъемлемой и необходимой частью контроля качества вод в большинстве стран мира. Для полной оценки уровня токсического загрязнения водной среды используют в комплексе биомониторинг+биотестирование. Метод биотестирования основывается на экспериментальной оценке ответа отдельных тест-объектов или тест- культур гидробионтов на воздействие токсикантов.

Биотестирование представляет собой процедуру установления токсичности отдельных химических веществ, поверхностных пресных, солоноватых и морских вод, а также подземных и сточных вод для гидробионтов с использованием количественных оценок изменения их жизненно важных функций или с выявлением летального действия.

9. Нормирование качества воды

Конечной целью токсикологических исследований на водоемах является определение и прогнозирование эколого-токсикологической ситуации, а также разработка и обоснование путей уменьшения токсической угрозы для человека как потребителя воды и гидробиоресурсов.

Охрана водных ресурсов относится к системе мероприятий по охране окружающей среды. Она регламентируется природоохранным и водным законодательствами, включает комплекс практических мероприятий по охране вод, систематический контроль за источниками загрязнения и состоянием водной среды (мониторинг), экономическое обеспечение природо- и водоохранной деятельности.

Задачей водного законодательства является регулирование правовых отношений в целях обеспечения сохранности, научно обоснованного рационального использования вод для нужд населения и отраслей экономики, восстановление водных ресурсов, охрана вод от загрязнения, засорения и истощения, предупреждение вредного воздействия на водные запасы и ликвидация их последствий, улучшение состояния водных объектов, а также охрана прав предприятий, учреждений, организаций и граждан на водопользование. Основные направления практической деятельности в области охраны вод от токсического загрязнения следующие: разработка стандартов и нормативов допустимого загрязнения и допустимых сбросов, очистка сточных вод, разработка нормативных требований к очистке сточных вод и режимов их сброса в водоемы комплексного и рыбохозяйственного назначения.

Водная токсикология обеспечивает научное обоснование предельно допустимых концентраций сброса токсичных веществ в водоемы и разработку унифицированных методов определения токсичности водной среды. Защитить водные экосистемы от загрязнения токсичными веществами призваны и экологические нормативы качества воды, которые устанавливаются по требованию Водного кодекса.

Экологические нормативы качества воды представляют собой научно обоснованные количественные значения показателей качества воды, в том числе специфических веществ токсического действия, отражающие природное (фоновое) состояние водного объекта и цели водоохранной деятельности по улучшению сохранения его экологического благополучия.

Для каждого токсиканта и для конкретного водного объекта (или группы однотипных водных объектов) экологические нормативы устанавливаются отдельно.

Установка экологических нормативов для качества водной среды соответствует системе экологического законодательства ЕС, где важное значение имеет понятие «подход к регулированию с позиций качества окружающей среды». Для различных видов водопользования в ЕС установлено более 300 стандартов качества воды в водном объекте, которые включают около 60 физических, химических и микробиологических параметров.

10. Ихтиотоксикология как раздел водной токсикологии, основные направления исследований и значение для рыбного хозяйства

Поскольку среди гидробионтов в большинстве случаев рыбы занимают вершины трофических пирамид и характеризуются высоким уровнем и сложностью биологической организации, они имеют и сложную многокомпонентную реакцию на действие токсических веществ, которая проявляется задолго до их гибели, что позволяет проводить раннюю диагностику наличия и действия ядов в водной среде. Такое положение вещей и значительный объем научных исследований с использованием в качестве тест-объектов различных видов рыб определил выделение целого раздела в Водной токсикологии, посвященного влиянию токсических веществ на рыб, - ихтиотоксикологии.

В задачи ихтиотоксикологии входит освещение теоретических аспектов возникновения различных патологических отклонений в организмах рыб под влиянием токсичных веществ и разработка методологических подходов к решению задач по предупреждению загрязнения рыбохозяйственных водоемов.

Основными разделами ихтиотоксикологии являются нормирование качества воды с использованием в качестве тест-объектов рыб и диагностика отравления рыб. Рыбы рассматриваются как идеальные тест-объекты для токсикологических исследований, поскольку их функциональные системы очень чутко реагируют на наличие ядов в водной среде и эти реакции поддаются регистрации. Кроме того, сложность их биологической организации позволяет исследовать механизмы действия различных типов ядов на живые организмы, разрабатывать критерии токсичности водной среды и мероприятия по обезвреживанию токсического действия химических веществ.

Для оценки токсического воздействия того или иного вещества на рыб необходимо выяснить, какое состояние является нормальным для данного организма, а какое - патологическим. Этот вопрос достаточно сложный и не решен до конца даже на сегодняшний день, так как содержит много условностей. Проблема «нормы» и «патологии» в водной токсикологии и в ее разделе, который касается ихтиотоксикологии, выступает частью общей проблемы взаимодействия в системе человек - общество - природа.

Основным в этом взаимодействии является вопрос о жизнеобеспечении человека и развитии общества. Поэтому как «норма» трактуется не только определенное состояние организма, а и положительный результат для деятельности человека. Термин «норма» происходит от латинского слова norma и означает образец, эталон, правило. Термин «патология» происходит от греческого слова pathos и означает болезнь.

При проведении экспериментальных исследований для установления нормы всегда используют контроль (в ихтиотоксикологии это вариант опыта со стандартным раствором без добавления токсиканта). Контроль для принятия его как нормы должен быть близким к типичному среднему состоянию особей в данных условиях.

Развитие интоксикации у рыб зависит от их устойчивости к действию ядов (токсикорезистентности), исходного функционального состояния и уровня реактивности. Устойчивость - это способность организма как можно дольше выживать при длительном воздействии на него низких концентраций токсического вещества или кратковременном воздействии высоких концентраций исследуемого вещества за счет включения регуляторных механизмов.

Оценка устойчивости проводится по концентрации вещества, которая вызывает гибель определенного процента испытуемых рыб (CL100 , CL50) до установленного срока, или до времени их выживания в токсическом растворе заданной концентрации. При этом чем раньше будут включены регуляторные механизмы организма - изменение проницаемости мембран клеток, метаболические превращения, детоксикация и выведение чужеродного вещества, - которые обеспечивают кратковременную или длительную адаптацию организма к данному токсическому веществу, тем больше времени будет для выживания рыб (тем выше их устойчивость) и тем более вероятно, что в случае прекращения токсического действия организм выживет.

В определении самого факта и степени токсичности исследуемого вещества, количественной и качественной характеристик токсического эффекта важное значение имеют видовые, возрастные и индивидуальные особенности рыб. По чувствительности к действию ядов рыб делят на две группы: высокочувствительные - радужная и ручьевая форель, плотва, ерш; малочувствительные - лещ, налим, карась; щука и окунь занимают промежуточное положение.

По устойчивости к ядам также выделяют две группы рыб:

высокостойкие - карась, сом, плотва, лещ, осетр;

малостойкие - ерш, налим, чехонь, судак, радужная и ручьевая форель.

Такое своеобразное соотношение между устойчивостью и чувствительностью рыб к ядам, свидетельствует о том, что наряду с чувствительностью нервных центров в определении токсикорезистентности рыб большую роль играют компенсаторные реакции и детоксикационные механизмы организма.

В общефизиологическом плане эти выводы интересны тем, что они являются побочным свидетельством существования у низших позвоночных регуляторных механизмов, обеспечивающих поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаза) в условиях стрессовых воздействий различных факторов.

Чувствительность рыб к действию токсичных веществ тесно связана с образом их жизни, прежде всего, с характером и выраженностью моторики. Высокую чувствительность к токсикантов имеют рыбы с высокой степенью развития локомоторного аппарата, то есть активно подвижные виды.

Устойчивость различных видов рыб к действию ядов зависит от характера питания. Хищники и полухищники менее устойчивы к воздействию токсикантов, чем мирные рыбы. Устойчивость рыб к действию ядов различна в разные сезоны года: более высока она в зимний период, низкая - летом. Сезонный фактор имеет существенное значение при определении токсикорезистентности рыб, поскольку влияет на их исходное функциональное состояние.



Заключение

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

Основными направлениями современных исследований в водной токсикологии выступают: борьба с загрязнением водоемов, распознавание токсичности водной среды и диагностика отравлений рыб, определение механизма действия токсических веществ и метаболизма токсикантов в организме гидробионтов, борьба с непромышленными (или вредными) гидробионтами с помощью химических средств.

Практическое значение водной токсикологии заключается в установлении и обосновании предельно допустимых концентраций токсичных веществ в сточных водах при сбросе их в водоемы рыбохозяйственного и комплексного назначения; разработке унифицированных методов определения токсичности водной среды и диагностике отравления гидробионтов; подборе водных организмов для биотестирования и определения качества воды по биологическим показателям; разработке методических подходов по контролю и управлению эколого-токсикологической ситуацией на водоемах.

Список использованной литературы

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

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

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

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

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

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

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

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

Размещено на Allbest.ru