§ 9.3. Биотесгирование в оценке загрязнения водной среды

Для оценки и контроля токсических веществ в объектах водной среды могут быть использованы два метода: комплексный и диффе­ренциальный.

Дифференциальный контроль токсических веществ включает ис­пользование критериев ПДК для ограничения концентраций конкрет­ных токсикантов.

Комплексный метод опирается на использование биотестирования. Такие методы применяют для анализа водных экосистем и в послед­ние годы начинают разрабатываться и для почвенных. Наиболее часто методы биотестирования с использованием стандартных тест-организ­мов применяют для оценки токсичности сточных вод. Токсичность стока количественно выражается через летальную концентрацию ЛК-50 (или степень разбавления сточной воды), при которой гибнет 50% особей тест-организмов. Измерение степени токсичности как пара­метра сточной воды может быть использовано для лимитирования сброса.

Наряду с таким показателем, как БПК, параметр токсичности не отражает содержания в воде отдельных токсических -компонентов водной среды, а служит интегральной характеристикой стока, мерой биологического воздействия без установления причин, вызывающих это воздействие. Тем самым параметр токсичности стока является

309

интегральным параметром для оценки возможного неблагоприятного воздействия при сбросе в водоем сточных вод сложного состава.

Различают два типа токсичности .'острую и хроническую. Отноше­ние концентраций, вызывающих острую и хроническую токсичность, варьирует в Диапазоне 10—100 в случае консервативных загрязняющих веществ. В случае сточных вод это отношение принимают равным 10.

При использовании биотестов необходимо иметь в виду, что разные виды проявляют разную чувствительность к токсикантам. Зачастую между видами, подвергающимися воздействию одного и того же токси­канта, наблюдается значительная разница по величине эффекта. Диа­пазон различий сильно зависит of природы токсиканта. Поэтому, учитывая ограниченный набор тест-органиЗмов, необходимо использо­вать правило: если в отношении какого-либо тест-организма анализи­руемая проба (или вещество) токсична, то проба определенно токсич­ная, если же токсичность не обнаружена, то она потенциально может оказаться токсичной.

При изучении токсичности какого-либо вещества в лабораторных условиях необходимо соблюдать осторожность при применении резуль­татов к природным объектам. Особенно это касается ионов тяжелых металлов. Все ионы металлов могут быть условно поделены на две

группы: участвующие (Си, Zn, Co, Mn, Fe и др.) и не участвующие (Hg, Sn, Pb, Ni, Al, Cd, Sr и др.) в клеточном метаболиз­ме. Принципиальное различие между эти­ми металлами заключается в том, что микроэлементы типа Си необходимы для процессов жизнедеятельности, тогда как другие являются токсикантами (рис. 47).

Микроэлементы могут быть токсичными при высоких концентрациях. Но среда может быть токсичной и в случае дефици­та данного микроэлемента. Например, в

микроэлемента (Си ) и случае дефицита меди в почвенной экосис- токсиканта (Cd ). (Биологиче- „ ,

ское действие может быть либо ^теме У Растений синтезируются апофермен- положительным, либо отрица- ты, не содержащие медь в активном цент- тельным.) р_е е_сли после этого добаьить медь в сис­ тему, то войти в апофермент она уже не может, т.е. растение развивается с внутренним дефектом, который проявляется на поздних стадиях его развития.

Существенно, что биологически доступна и необходима для процес­сов жизнедеятельности растений и водных организмов главным обра­зом акваформа металла. В силу этого обстоятельства в зависимости от 310

редокс-состояния среды и присутствия в воде лигандов действующая концентрация микроэлемента может быть низка даже при большом валовом его содержании в среде.

Немаловажное значение для токсикологической оценки загрязняю­щих веществ имеет их трансформация в природной среде. Трансфор­мация токсических веществ может приводить к менее токсичным ве­ществам. В этом случае лабораторная оценка токсичности исходного вещества при длительности эксперимента большей, чем время жизни токсиканта в окружающей среде, даст завышенное значение.

Возможна и обратная ситуация, когда в результате трансформации малотоксичное соединение становится более токсичным. Типичный пример —• метафос, широко используемый в сельском хозяйстве как инсектицид. Метафос сравнительно быстро разрушается в окружаю­щей среде, однако продукт его разложения, устойчивый в окружаю­щей среде, — тиофенол — проявляет гораздо большую токсичность уже не в отношении насекомых, а личинок рыб. Соответственно, посту­пая с полей в водоем в виде продуктов трансформации, метафос под­рывает воспроизводство рыбных ресурсов.

Другой аспект вторичных эффектов токсичности водной среды связан с последствиями эвтрофирования водоема при загрязнении его биогенными веществами. В результате вторичного биологического загрязнения водоема появляются не известные, ранее факторы токсич­ности, о которых упоминалось в гл. 6. Речь идет о возникновении дефицита по кислороду и о токсинах сине-зеленых водорослей.

Межвидовая борьба в растительном мире основана на выделении во внешнюю среду биологически активных веществ. Растительные токси­ны бывают нескольких видов.

1) Азотсодержащие, как правило, небелковые аминокислоты, явля­ясь антиметаболитами, "обманывают" потребителя, что приводит к нарушению функции белка: растение или животное погибает. Известно 300 таких кислот у растений.

К этой же группе токсинов относятся глюкозиды нитросоединений, которые распадаются в среде в результате гидролиза на конечные продукты:

Глюкоза-0-(СНз)2Ш2 ► HO(CH₃)₂N0₂ ► NO2

В этом случае токсичен метаболический токсин NOjj. Особенно рас­пространена токсикация нитрит-ионом природной водной среды там, где почва загрязнена азотсодержащими удобрениями.

Известны цианогенные глюкозиды, которые при гидролизе распа­даются с образованием HCN. Высокой токсичностью обладают также глюкозиды горчичного масла (глюкозинолаты).

311

Наиболее известный класс азотсодержащих природных токсинов — алкалоиды. Так, философа Сократа греки отравили экстрактом из листьев болиголова. Сейчас расшифрована структура 5500 алкалоидов. Они встречаются у 20% семейств высших растений и среди альготок-синов. Структура их очень различна. Простейший — кониин (из листь­ев болиголова), представляющий собой моноциклический пиперидин:

2) Безазотистые токсины — стероидные соединения, терпены. На­пример, CH2FCO2H (монофторуксусная кислота) внедряется в цикл Кребса (см. рис. 46) вместо ацетата и метаболизируется до фторлимон-ной кислоты — на этом дыхательный процесс прекращается, наступает смерть от удушья.

В природных водах наряду с альготоксинами существенное значе­ние имеет выделение некоторыми видами водорослей веществ восста­новительной природы, формирующих токсическое состояние водной среды (см. § 6.4).

ЛИТЕРАТУРА

Безбородое А.М. Микробные метаболиты — ингибиторы ферментов. — М.: Наука, 1986. — 95 с.

Владимиров Ю.А., Арчаков AM. Перекисное окисление липидов в биоло­гических мембранах. •— М.: Наука, 1972. — 252 с.

Бйотестирование природных и сточных вод. — М.: Легкая и пищевая промьшшенность, 1981. — 108 с.

Блажей А., Шутаай Л. Фенольные соединения растительного происхожде­ния. — М.: Мир, 1977. — 215 с.

Брагинский Л.П. Пестициды и жизнь водоемов. — Киев: Наукова думка, 1972. - 226 с.

Брагинский Л.П., Комаровский Ф.Я., Мережко А.И. Персистентные пести­циды в экологии пресных вод. — Киев: Наукова думка, 1979. — 141 с.

Брагинский Л.П., Величко И.М., Щербань Э.П. Пресноводный планктон в токсической среде. — Киев: Наукова думка, 1987. — 179 с.

Гигиена окружающей среды/Под ред. Г.И. Сидоренко — М.: Медицина, 1985. - 303 с. 312

Горшков С.Н., Самоцкий И.В., Тиунов Л.А Общие механизмы токсическо­го действия. — М.: Медицина, 1986. — 279 с.

Гродзднский AM., Головко Э.А, Горобец С.А и др. Экспериментальная аллелопатия. — Киев: Наукова думка, 1987. — 236 с.

Езепчук Ю.В. Биомолекулярные основы патогенное™ бактерий. — М.: Наука, 1977. - 215 с.

Запрометов М.Н. Основы биохимии фенольных соединений. — М.: Высшая школа, 1974. — 214 с.

Токсины синезеленых водорослей и организм животного/Кириенко Ю.А, Сиренко Л.А, Орловский В.М. и др. — Киев: Наукова думка, 1977. — 250 с.

Лукьяненко В.й. Общая ихтиотоксикология. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. — 320 с.

Метелев В.В., Канаев AM., Дзасохова Н.Г. Водная токсикология. — М.: Колос, 1971. - 247 с.

Остроумов С.А Введение в биохимическую экологию. — М.: Изд-во МГУ, 1986. - 176 с.

Реакция гидробионтов на загрязнение/Под ред. Н.С. Строганова. — М.: Наука, 1983. — 247 с.

Ошкин В.А, Хайлов К.М. Биоэкологические механизмы управления в аквакультуре. —- Д.: Наука, 1988. — 230 с.

Строганов Н.С. Токсическое загрязнение водоемов и деградация водных экосистем/Итога науки и техники. Общая экология, биогеоценология, гидро­биология. — М.: ВИНИТИ, 1976, т. 3, с. 5-47.

Тарусов В.Н. Основы биологического действия радиоактивных излучений. М.: Наука, 1954. - 130 с.

Фмленко О.Ф. Водная токсикология. — Черноголовка, 1988. — 156 с.