Миронин А.В. Химия окружающей среды. Биологическая безопасность (курс лекций)
Подождите немного. Документ загружается.
111
организм, — парентеральный, пероральный или через воду.
Процесс острого отравления рыбы имеет следующие стадии, поддающиеся
количественной оценке. Латентная фаза состоит из стадии соприкосновения с
ядом, времени его проникновения и времени проявления действия; летальная фаза
состоит из стадии умирания и собственно смерти.
Как и в большинстве испытаний в водной среде, дозирование химического
вещества проводится однократно или непрерывно с последующей
корректировкой до заданного значения. Оба метода (однократный и
непрерывный) имеют как преимущества, так и недостатки для интерпретации
результатов. Например, в открытых бассейнах после однократного введения
вещества происходят большие потери за счет его улетучивания, если оно имеет
высокую летучесть (летучесть фенолов с водяным паром), или в результате
адсорбции на стенках бассейна. Для большинства различных методов испытаний
при изучении острой токсичности следует придерживаться следующих трех
важнейших принципов:
- обеспечение высокой воспроизводимости;
- близость к реальным условиям;
-осуществимость испытаний.
Как правило, результаты кратковременных испытаний в течение 1-4 сут
недостаточны для определения острой токсичности, т. е. для оценки вида и
объема хронической и сублетальной интоксикации рыбы. Это верно в
особенности для имитации длительного воздействия малых концентраций
вещества с неявно выраженной „немедленной" токсичностью.
Кроме того, кратковременные испытания не позволяют сделать никаких
выводов о размножении, фертильности и других качественных характеристиках
рыб и их потомства. Выяснение этих вопросов важно не только с экологической
точки зрения, но и для обслуживания прудовых хозяйств, в которых используют
водные гербициды.
Критериями для оценки биологической активности в сублетальной области
являются изменения внешних и внутренних процессов жизнедеятельности рыб
(изменения в ее органах и функциональные нарушения). Проводят измерения
обычных токсикологических параметров теплокровных животных (кривые роста,
вес органов), а также гематологических и анатомических (на макро-и
микроуровнях) характеристик .
Виды рыб для испытаний выбирают, исходя из критерия максимальной и
минимальной чувствительности вида; в качестве модельных видов часто
используют карпа или форель. Методы введения вещества также зависят от вида
рыбы.
Наиболее важными считают две характеристики воздействия токсического
вещества — изменения органов и функциональные расстройства; их следует
изучать по отдельности, поскольку они не всегда проявляются совместно.
Следующим важным эффектом является нарушение поведения, проявляющееся в
изменении плавательных движений. Однако измерения такого рода только тогда
дают определенные результаты, когда „необычное поведение" регистрируется,
например, записью на видеомагнитофоне с видеокамеры и может быть оценено
112
количественными методами.
Для исследования изменений органов чаще всего применяют их
взвешивание, определение объема принятой пиши, гематологические и
химические анализы крови, а также аутопсию и гистологические исследования
тканей умерщвленной рыбы. При выявлении функциональных расстройств ,
кроме морфологических данных, привлекают также исследования на клеточном
уровне, например ферментативное торможение реакций холинэстеразы. Если
хотят определить нижний предел дозы, при которой происходит заметное
изменение ферментной активности, то необходимо проведение испытаний с
числом особей не менее 30. В заранее установленные периоды в течение не менее
8 нед отбирают по 5 рыб, а оставшихся рыб до окончания эксперимента
перемещают в незагрязненную воду.
2.2 Экотоксикологические исследования с несколькими видами
и в микрокосмах
Экотоксикологические исследования с использованием нескольких видов, а
также в микрокосмах проводят в широких масштабах, причем в последнее время
резко увеличилось число вновь разрабатываемых методик. Целью этого раздела
является не обобщенное изложение огромного числа методик исследований в
море, пресноводных бассейнах или в почве, а рассмотрение наиболее
существенных моментов испытанных на практике методов.
Из-за недостаточности токсикологических данных, полученных при
испытаниях на отдельных видах, для исследования воздействий химических
веществ на окружающую среду возникла необходимость создать лабораторную
модельную экосистему, в которой при проведении испытаний воспроизводились
бы важнейшие составляющие природных условий. Цель такого подхода - выявить
потенциально вредные воздействия на определенные популяции в экосистеме,
связанные с присутствием постороннего вещества. Здесь следует заметить, что
среди экотоксикологов имеется немалое число скептиков, которые сомневаются в
том, что на базе таких исследований можно сделать окончательное заключение о
свойствах природной экосистемы и получить более интересные сведения, чем от
одного предварительного испытания. Как правило, в упрощенной лабораторной
модели никогда нельзя полностью воспроизвести комплексные процессы,
протекающие в природных условиях. Поэтому разработчик модели должен сам
заниматься освоением и реализацией созданной им модели.
Наряду с вектором времени, который играет важную роль при
взаимодействии биомассы с введенными химическими веществами, важным
лимитирующим фактором для большинства лабораторных моделей являются их
размеры. Поскольку существуют многообразные взаимодействия между
компонентами биоценоза, очевидно, что узкое пространство модельной
экосистемы создает дополнительные трудности. К тому же часто не хватает
знаний о фармакологической кинетике даже для отдельного организма; это
относится также к процессам распределения вещества в органах, тканях, клетках,
органеллах. Соответственно еще труднее охватить процессы распределения
113
вещества и их смесей в экосистемах, так что приходится основное внимание
уделять практике постановки эксперимента. Все лабораторные модели (в том
числе и те, в которых используют индикаторные организмы экосистем) имеют
собственную динамику; тем самым их соответствие реальным природным
условиям оказывается сильно ограниченным. В качестве параметров следует
выбирать лишь такие, методы измерения которых достаточно просты,
репрезентативны и чувствительны по отношению к ксенобиотикам.
Буферная емкость является решающей величиной для каждой экологической
системы. Она является мерой способности системы компенсировать нарушения и
указывает, до каких границ такая компенсация еще возможна. Под устойчивостью
экосистемы понимают ее способность восстанавливать первоначальное
энергетическое и материальное равновесие, а также численность организмов
после прекращения воздействия вещества. Обе эти величины ввиду их
комплементарности имеют очень важное значение для экосистемы. С помощью
отрицательных обратных связей открытые системы способны компенсировать с
задержкой во времени нарушения в состоянии отдельных компонентов системы.
Следствием этого является то, что рассматриваемая система совершает колебания
относительно некоторого среднего состояния, и если эти колебания невелики, то
систему можно назвать устойчивой.
Сильные колебания численности популяции в одном или нескольких
последовательных поколениях называют в международной терминологии
динамикой популяции. Так как влияние химических веществ может быть прямым
или косвенным, на динамику популяции могут влиять воздействия различного
масштаба, однако их результаты обнаруживаются лишь впоследствии.
Длительность воздействия и способность к аккумуляция вредных веществ также
оказывают большое влияние независимо того, насколько быстро или медленно
идет развитие данного вида. Особи с длительным временем развития оказываются
более чувствительными, чем с более коротким жизненным циклом.
Если в экспериментах используют виды, тесно связанные с местом обитания,
неспособные покинуть его (например, растения), в качестве параметра испытаний
применяют конкурентное равновесие. Растущие в почве растения при этом
являются идеальными объектами, поскольку исследуемые растения имеют точно
такие же условия произрастания (освещение, питание и орошение), как и все
окружающие их виды. Растения одного и того же типа, например растущие в
дерне, особенно сильно конкурируют между собой. При изменении условий
окружающей среды конкурентное равновесие претерпевает кратковременные или
длительные нарушения. Хорошим примером антропогенного воздействия
является удобрение растений, поскольку в конечном счете это способствует
развитию лишь немногих видов. Модели с лиственными растениями должны
отвечать следующим критериям:
- легко определяются изменения надземной биомассы; результаты измерений
получают примерно через полгода после начала эксперимента;
- соответствие природным условиям при использовании важнейших
представителей системы;
- воспроизводимость при использовании клонированного растительного
114
материала;
- возможность использования испытательных камер с регулируемым
освещением и климатом с целью сравнения конкурентных взаимоотношений
между растениями.
Цепи и сеть питания.
В лаборатории относительно легко создать в аквариуме близкую к
природным условиям модель цепи питания, состоящую из организмов,
разлагающих биомассу (минерализация), ее первичных производителей, фито- и
зоофагов. Такие установки позволяют также проводить измерения аккумуляции и
сублетальных воздействий (например, измерения снижения скорости роста).
Многолетние исследования показали, что аккумуляция химического вещества
через цепи питания менее существенна по сравнению с прямым усвоением из
воды. И все же эксперименты по исследованию трофических взаимосвязей в
упрощенных лабораторных условиях достаточно целесообразны и
воспроизводимы. На практике искусственные модели цепей питания
осуществляют с зелеными водорослями и дафниями. Здесь оказалось возможным
наблюдать прямые проявления вредного воздействия отдельно для каждой
популяции, а также косвенные воздействия по данным о снижении потребления
пищи.
Для неземных экосистем изменения условий окружающей среды
относительно легко выявить измерением биопродуктивности микрофлоры в
почве. В присутствии вредных химических продуктов можно проводить
сравнительное изучение разложения и превращения органических веществ,
являющихся питанием микрофлоры (определять параметры биологической
продуктивности). При этом чаще всего применяют такие методы исследования,
как изучение дыхания почвы (респирометрия, продуктивность образования СО}),
определение активности ферментов (восстановление оксидов Fe
3+
), выделение
тепла (микрокалориметрия), а также измерение концентрации АТФ (например,
люциферин-люциферазным методом) .
2.3 Исследование воздействий в натурных условиях
На этой последней стадии испытаний экосистем прежде всего исследуют
процессы, сопровождающие воздействие вредных веществ. Необходимость их
проведения появляется ,прежде всего, в том случае, если необходимо
перепроверить результаты испытаний с одним или несколькими видами и их
соответствие условиям реальной окружающей среды. Такие опыты в натурных
условиях имеют прогнозный характер, они особенно целесообразны, если
имеются пробелы в наших знаниях об экотоксикологии нового, предназначенного
к выпуску химического продукта. Напротив, ретроспективными являются
наблюдения и измерения in situ, которые должны выявить степень вреда,
нанесенного природе в результате неосторожного внесения химического
вещества. Примером здесь могут быть исследования воздействия нефтяных пятен
в море, образовавшихся после аварий танкеров; на суше такие исследования
проводят из-за происшедшего в последнее время ухудшения состояния лесов,
115
которое связывают с эмиссией вредных веществ в атмосферу.
Обе концепции исследования воздействий вредных веществ, которые
называют также соответственно активным и пассивным мониторингом,
направлены на качественный и количественный анализ токсического воздействия
химических веществ на биологические объекты и биотоп. Изменения становятся
особенно заметными в динамике популяции и в таких процессах в системе, как
биологическая продуктивность, минерализация и круговорот элементов по
сравнению с незагрязненной системой.
Наряду с „природными" и „близкими к природным" системами необходимо
проводить исследования городских техногенных систем. Длительность
проведения экологических исследований в натурных условиях зависит от многих
существенных факторов, — таких как климат, период вегетации, интенсивность
развития и роста, а также от вида, количества и длительности воздействия
вредного вещества, его токсичности и способности к регенерации исследуемой
системы.
Снижение интенсивности фотосинтеза можно определить в течение более
короткого временя, чем снижение, общей продуктивности так как последнюю
часто можно достаточно надежно измерить. Значительные различия между
загрязненными и незагрязненными участками можно точно определить только
через несколько лет, если речь идет о доминирующих видах растений, которые
растут довольно медленно.
В таблице 1 перечислены экологические методы исследований в природных
условиях, позволяющие изучать изменения экосистем после химической
интоксикации.
Таблица 1. Примеры экологических методов при проведении натурных
исследований
Экологические параметры
Полученные результат
(побочные факторы)
Абиотические
Размеры популяции
Характер распределения
Концентрации неорганических
веществ и их круговорот
(Температура и излучение)
Распространенность
(Биопродуктивность)
Случайное, равномерное,
кумулятивное
распределение
(Распространенность,
внутривидовая
конк
ур
енция,
116
Диверсификация
Ширина и перекрывание ниш
Биология почвы
Изменения во времени и
причинные связи
микробиологическое
состояние, пищевые ресурсы)
Индекс многообразия
(Устойчивость, трофические
уровни)
Моделирование размеров
(Биоценозы, трофические
уровни,
использование ресурсов)
Интенсивность разложения и
превращений
(Деструкторы, продуценты,
организмы,
питающиеся продуктами
разложения,
биоценозы)
Зонирование-биоценозы
д
е, связи
между биотопами)
Экологическое обособление
(Образование ниш, биоценозы,
конкурентное исключение,
ресурсы)
(Принцип исключения,
экологическое
обособление, ресурсы, характер
распределения)
Цени питания и
производительность
(Поток энергии, первичная и
вторичная
биопродуктивность, биомасса)
Сукцессия
(Динамика диверсификации,
динамика
дисперсии)
117
Важнейшими лимнологическими параметрами являются мутность воды, рН,
концентрация кислорода, содержание питательных веществ и электропроводность
воды. Для качественного и количественного определения видового состава
планктона проводят разделение ситом на фракции и микроскопические
исследования нескольких проб. Для статистического анализа данных применяют
различные характерные параметры системы и методы оценки (например, индекс
диверсификации и др.). При этом, для установления зависимости воздействия от
дозы необходимы чувствительные методы анализа следовых количеств, в
особенности при исследовании высокотоксичных пестицидов.
Важнейшими питательными веществами в водах являются вещества,
содержащие азот в фосфор, причем последний может ограничивать рост
первичных продуцентов. Как правило, количественно определяют общий фосфор,
ортофосфаты, аммоний, нитраты и нитриты. В качестве косвенного параметра
биомассы служит органический углерод в твердых частицах. Его определяют
отдельно от растворенного в воде органического углерода фильтрованием через
фильтры с размерами пор порядка 0,45 мкм. Для количественного определения
биомассы используют величину так называемых потерь при прокаливании. Для
этого пробу воды или осадка несколько часов нагревают при температуре 550°С.
Все органические компоненты при этом превращаются в летучие и газообразные
вещества.
118
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1) Опаловский А.А. Планета Земля глазами химика. - М.: Наука,
1990.-222с.
2) Химия окружающей среды/ Под ред. А.П.Цыганкова: пер. с
англ. - М.: Химия, 982.-672с.
3) Балина Т.К. и др. Охрана природы (химическая экология):
Учебное пособие/ Балина Т.К., Папулов Ю.Г., Зимин Р.А.; Тверской гос.ун-
т. -Тверь, 1993.-72 с.
4) Никитин Е.Д., Гируеов Э В. Шагреневая кожа Земли: Биосфера -
почва - человек/ Рос.АН. - М.: Наука, 1993. - 109 с.
5) Охрана и регулирование качества окружающей природной
среды: Учеб.пособие для инженера-эколога/ М-во охраны окружающей
среды и природ, ресурсов РФ; Под ред.А.Ф.Порядина, А.Д.Хованского. -
М.: Издат.Дом "Прибой", 1996. - 348 с.
6) Охрана окружающей природной среды Кировской области:
проблемы и перспективы/ Минприроды РФ, Киров.обл.комитет по охране
природы; Под ред. Н.А.Буркова, В.А.Клочкова. - Киров, 1993. - 352 с.
7) Петров К.М. Общая экология: Взаимодействие общества и
природы: Учеб.пособие для студ.вузов. - СПб.: Химия, 1997. - 351 с.
8) Проблемы охраны окружающей природной среды и
природопользования: У чебно-метод. пособие/ Гос.комитет по охране
окр.среды Кировской обл.; Под ред.Н.А.Буркова, В.В.Ширяева. - Киров,
1998. - 206 с.
9) Экология для технических вузов; Под ред. Гарина В.М. Феникс.
Ростов-на –Дону. 2001.- 384 с.
9)Экологическая химия: Пер. с нем.; Под ред. Ф.Корте.- М. Мир, 1997.-396 с.
10) Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в
России:Учебное и справочное пособие- 3-е изд.-М:, Финансы и
статистика , 2001.- 672 с.
11)Задачи и вопросы по химии окружающей среды/
Тарасова Н.П.,Кузнецов В.А., Сметанинов Ю.В. и др.- М.: Мир,
2002.-368 с.
12)Другов Ю.С., Родин А.А. Экологическая аналитическая химия:
Учебное пособие для вузов.- Спб.: Аналитическая химия,2002.- 464.
13) Гусакова Н.В. Химия окружающей среды. Серия «Высшее
образование». Ростов-на-Дону: Феникс. 2004.- 192 с.
Дополнительная литература
1) Вронский В.А. Экология: Словарь-справочник. - Ростов-на-
Дону: М.: Феникс: Зевс, 1997. - 576 с.
2) Защита окружающей среды от техногенных воздействий:
Учеб.пособие/ Под общ.ред. Г.В.Невской. - М.: Изд-во МГОУ, 1993. -216с.
3) Ляпунов И.Н. Основы химии и микробиологии природных и
119
сточных вод: Учеб.пособие/ Гос.ком.РФ по высш.образованию, М-во окруж.
среды и природ.ресурсов РФ, Урал.гос.лесотехн.акад. - Екатеринбург, 1995
.-212 с
4) Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды:
Слов.-справ. - М.: Просвещение, 1992. - 317 с.
5) Фокин А.Д. Почва, биосфера и жизнь на Земле. - М.: Наука,
1986. -176с.
6) Периодические издания (журналы "Химия и жизнь", "Наука и
жизнь", "Соросовский образовательный журнал" и др.)