Владимир Базылев - Основы общей и экологической токсикологии

Антропогенное закисление пресноводных экосистем сопровождается глубокими перестройками водных биоценозов на всех трофических уровнях. По мере повышения кислотности водной среды уменьшается видовое разнообразие водных организмов, происходит смена доминантных видов, снижается интенсивность продукционных процессов. Общую направленность экологических изменений при закислении природных вод можно характеризовать как экологический регресс с присущей ему определенной направленностью развития целого комплекса общих по своему экологическому значению признаков: уменьшению видового разнообразия, устойчивости к внешним возмущениям, увеличению энтропии, упрощению межвидовых отношений, уменьшению пространственной гетерогенности, упрощению временной структуры популяций.

Отрицательные экологические последствия закисления пресноводных экосистем обусловлены воздействием на гидробионтов водородных ионов (Н +) токсичных металлов, концентрации которых при закислении возрастают. Кроме прямого воздействия, связанного с изменением химического состава воды, существенное значение имеет и косвенное воздействие, связанное с изменением межвидовых отношений. Активная реакция водной среды (рН) является одним из важнейших экологических факторов обитания гидробионтов. Кроме того, рН биологических жидкостей (крови, гемолимфы) является основой нормального функционирования всех систем организма на уровне биохимических (физико-химических) реакций, например ферментативных. Водородный показатель водной среды играет важнейшую роль в обмене веществ между организмом и средой в экологическом метаболизме. Когда среда подкислена, яйцеклетки, сперма и молодь водных обитателей погибают. Ущерб не ограничивается гибелью водных организмов. Многие пищевые цепи, охватывающие почти всех диких животных, начинаются в водоемах. Прежде всего, сокращается популяция птиц, питающихся рыбой или насекомыми, личинки которых развиваются в воде.

К основным компонентам водной биоты относятся редуценты, разлагающие органические вещества, фитопланктон, зоопланктон, бентос, макрофиты, амфибии и др. Активность фитопланктона снижается при рН ≤ 6; при сохранении или частичном увеличении суммарной биомассы одни типы замещаются другими.

Негативные изменения зоопланктона возникают при рН 5, причем особенно сильно они проявляются при повышенном содержании алюминия.

При рН 5 резко снижается популяция рыб (озерной форели). Развитие популяций рыб отражает суммарные функции экосистемы. При рН воды выше 6 развитие популяций рыб устойчиво, некоторые нарушения наблюдаются при рН 5,5. Поддержание популяции при рН менее 5 практически невозможно. Так, при рН ниже 4,5 не обнаруживаются никакие ракообразные, улитки, мидии, и при этом не может жить никакая, имеющая промысловое значение пресноводная рыба.

На развитие популяций рыб влияет содержание в воде кальция и алюминия. Физиологические нарушения при низких рН проявляются в изменении кровяной плазмы и ускоренном вымывании из тканей ионов Na +и Cl –. При повышенных концентрациях растворимых форм алюминия нарушаются ионный обмен и процесс дыхания. Как правило, высокая кислотность озер сопровождается повышенным содержанием алюминия, его влияние наиболее сильно при рН 5,2 – 5,5.

Для развития популяций рыб важен катион кальция, который регулирует функции мембран, их проницаемость и интенсивность ионного обмена. В водах с невысокой КНС концентрация Ca 2+невелика (менее 4 мг/л). Повышенное содержание Ca 2+компенсирует негативное действие Al 3+при низких рН. Представляют интерес данные обследования озер в южной части Норвегии: во всех озерах, где отсутствует рыба, отношение Ca 2+:H +< 3, а в озерах с устойчивыми рыбными популяциями Ca 2+:H +>4;pH≤ 5 для озер США – показатель отсутствия рыбы, кроме Флориды, где при высоких концентрациях кальция и малом содержании алюминия рыбные популяции устойчивы в озерах с рН 4,0 – 5,5.

На закисление воды болезненно реагируют раковинные моллюски. Если значение рН падает ниже 5,2, то Ca 2+-обмен у них настолько нарушается, что им грозит гибель. При этих значениях рН раковины медленно разрушаются.

В процессах регулирования водной биоты важную роль играет изменение концентрации растворенного в воде пероксида водорода. Внимание к этой проблеме обусловлено массовой гибелью мальков севрюги в Волге при допустимых нормах основных гидрологических показателей. Молодь погибла в результате нарушения липидного обмена, что сопровождалось блокированием ферментной цепи окисления жира в гликоген. Исследования, проведенные в Институте химической физики, показали, что нарушения обусловлены изменением редокс-состояния природных вод, вследствие отсутствия пероксида водорода. Раньше в водах Волги концентрация пероксида водорода составляла 3 ⋅ 10 – 5моль/л, а в настоящее время следовые количества его обнаруживают только в небольших притоках. Установлена тесная корреляция между изменением концентрации пероксида водорода в воде и выживаемостью рыбы.

Загрязнение водных объектов – сброс или поступление иным способом в поверхностные и подземные водные объекты, а также образование в них вредных веществ, которые ухудшают качество поверхностных и подземных вод, ограничивают (исключают) их использование либо негативно влияют на состояние дна и берегов водных объектов.

Загрязнение вод происходит главным образом под влиянием факторов, обусловленных хозяйственной деятельностью человека. В некоторых случаях ухудшение состава вод может обусловливаться процессами вымывания из недр Земли природных запасов минеральных и органических веществ, и тогда употребляется термин естественное загрязнение вод.

Антропогенными факторами загрязнения водных объектов являются: сточные воды промышленных предприятий, населенных пунктов, животноводческих комплексов; смывы с мест разработки полезных ископаемых, судоходство, дождевые и ливневые смывы с водосборных площадей (в том числе с территорий городов, поселков, сельскохозяйственных угодий), загрязненные атмосферные осадки, химизация сельского хозяйства.

Загрязнение вод выражается в изменении их химического и биологического состава и физических свойств. Загрязненными считаются воды, в которых содержание отдельных компонентов химического состава превышает их средние многолетние концентрации и количества, допустимые санитарными нормами, а также те воды, в которых обнаруживаются вещества, не свойственные им в естественном состоянии (нефтепродукты, фенолы, пестициды, поверхностно-активные вещества).

Загрязнение может быть прямым и вторичным. Прямое загрязнение происходит в результате непосредственного воздействия антропогенного фактора на водный объект при поступлении загрязненных поверхностных или подземных стоков, а также при загрязненных или кислых атмосферных осадках. Вторичное загрязнение является следствием первичного. Оно проявляется при десорбции из донных отложений загрязняющих веществ (ЗВ), попавших туда в результате прямого загрязнения; при попадании в водную среду или в илы продуктов распада ЗВ, более токсичных, чем они сами; как ответная реакция биологической системы на изменение состава водной среды, приводящая к бурному размножению водорослей («цветение» водоемов), патогенной микрофлоры и вирусов, ухудшению качества воды, изменению состава биоценозовикэвтрофированию.