8.3.3. Методы оценки токсичности водных систем

Усиление антропогенного воздействия на реки, озера и водохранилища, в которые поступает большое количество различных химических соединений, изменяет среду обитания водных организмов, ухудшает качество воды, приводит к снижению продуктивности промысловых объектов. Сточные воды, сбрасываемые в водоёмы, даже после очистных сооружений, содержат токсичные химические вещества, которые могут нанести значительный ущерб водной экосистеме, и, в конечном итоге, здоровью населения.

Токсичность воды может быть обнаружена с помощью химических и биологических методов.

Биологические методы можно условно разделить на методы биоиндикации и биотестирования. В таблице 8.7 представлены основные характеристики этих методов, позволяющие сравнить их между собой. Каждая группа методов имеет свои достоинства и недостатки.

Таблица 8.7–Основные характеристики методов оценки токсичности вод

Признак	Химические методы	Биологические методы
Тип индикации	Индикация воздействия	Индикация отклика	Индикация воздействия
Объект	Вода	Водные сообщества	Вода
Цель анализа	Измерение концентраций химических веществ	Оценка состояния природных сообщества	Интегральная оценка токсичности на тест организмах*
Показатели токсичности	Превышение установленных регламентов	Негативные изменения в сообществах	Развитие патологических (вплоть до гибели изменений у тест организмов
Регламенты	Предельно допустимые концентрации	Не установлены	Отсутствие острого и хронического токсического действия
Метрологические	Погрешность, сходимость, воспроизводим ость и др.	Не установлены	Сходимость, воспроизводимость

*)Тест организмы чаще всего культивируют в лаборатории.

Химические методы измерения концентрации загрязняющих веществ в воде позволяют проверить соответствие их установленным нормативам качества воды для конкретных видов водопользования

(рыбохозяйственного, рекреационного, питьевого и т.д.).

Химические методыдают информацию об интенсивности воздействия на водную экосистему. Их недостатком является невозможность оценки реальных биологических эффектов как отдельных загрязняющих веществ, так и их комплексов, а также продуктов их трансформации и метаболизма. Кроме того, число химических соединений, загрязняющих водную среду, так велико, что трудно

поддается контролю, и перспектива в этом отношении весьма пессимистична.

В настоящее время, по оценкам некоторых специалистов, контролируется не более 0,5% поступающих в окружающую среду химических веществ.

Методы биоиндикациикоторые представляют собой традиционные гидробиологические способы, позволяют получить данные, характеризующие отклик водных биоценозов на антропогенное воздействие.

Этот метод широко применяется в геохимии, гидробиологии, почвоведение, ботанике, медицине и других областях и является основой мониторинга состояния окружающей среды.

Различают несколько направлений биоиндикации:

-аккумулирующая– основана на накопительных свойствах отдельных организмов и органов;

-чувствительная– основана на пороге чувствительности организмов к тем или иным токсинам, в том числе и на изменении их поведенческих реакций;

-прямая –основана на ответных реакциях организмов на прямое действие стрессов;

непрямая– основана на ответных реакциях организмов на косвенное воздействие вредных факторов;

В зависимости от постановленных целей и задач биоиндикация проводится на молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, биоценотическом либо экосистемном уровне.

Биоиндикация имеет определение преимущества перед физико-химическими методами исследований, поскольку позволяет в ряде случаев фиксировать те отклонения качества среды, которые не регистрируются даже самыми современными приборами.

В исследованиях и разработках високочувствительной измерительной техники для экологии, медицины, биотехнологий значительное место занимают биосенсоры– уникальные устройства, включающие биологические компоненты, в том числе и живые организмы. Биосенсоры имеют два главных элемента: биологический, который «распознает» анализируемое вещество, и инструментальный, который обеспечивает передачу сигнала.

Биосенсоры, основанные на использовании бактерий, чаще применяются в экологических исследованиях. Так, для определения хлорированных углеводородов и других токсичных компонентов в сточных водах используют биосенсор, измеряющий биолюминесценцию бактерий.

Методы биотестирования,в отличие от биоиндикации, представляют собой характеристику степени воздействия на водные биоценозы. С помощью этих методов можно получить данные о токсичности конкретной пробы воды, загрязненной химическими веществами – антропогенными или природного происхождения. Таким образом, методы биотестирования, будучи биологическими, близки к методам химического анализа вод. В то же время, в отличие от химических методов, они позволяют дать реальную оценку токсических свойств воды или другой среды, обусловленной присутствием комплекса загрязняющих химических веществ и их метаболитов.

Согласно принятому определению, биотестирование воды – эта оценка качества воды по ответным реакциям водных организмов, находящихся в этой среде и являющихся тест-объектами.

Метод биотестированияотличается от биоиндикации тем, что последняя осуществляется в полевых (природных) условиях, а первый – в искусственно созданных условиях эксперимента.

Задачи биотестирования:

-определение токсичности отдельных веществ, вносимых в водную

среду, для последующего нормирования;

-выявление присутствия в водной среде неизвестного состава

биологически опасных веществ;

-установление источников токсического загрязнения водных

объектов и оценка их интенсивности;

-определение необходимой степени разведения сточных вод до

биологически и экологически безвредных уровней.

Так, в ходе биотестирования уровня токсичности среды используют мутагенный эффект от действия на тест-микроорганизм (обычно используют сальмонеллу и её штаммы) токсичных веществ.

В настоящее время уже известно свыше 40 биотестов качества поверхностных и сточных вод, из которых наиболее часто используется 15, в том числе (в скобках обозначен тестируемый объект среды):

- выживание и плодовитость дафнии (сточные и природные воды);

-двигательная активность, выживание и темп роста инфузорий (сточные и природные воды);

-реакция ухода рыб из токсичной зоны (сточные воды);

-смена статического состояния медицинской пиявки динамическим (сточные и природные воды) и другие.

Следует отметить, что ни один из тест-объектов не может служить универсальным индикатором, из-за видовой избирательности в равной степени чувствительным ко всем экологическим факторам.

Методы и приемы биотестирования используются в настоящее время по различным назначениям (табл. 8.8).

Таблица 8.8 – Область применения методов биотестирования

токсичности водной среды.

Объект биотестирования	Параметры токсичности, норматив	Цель биотестирования	Тест-организм
Химические вещества	Концентрации: ЛК50, МНК, ПДК, ОБУВ, ЕК50	Рыбохозяйственное нормирование; контроль токсичности в международной торговле	Гидробионты – представители трофических уровней водн. экосистем. Станд.набор тест-орган-мов
Производственные, технологические и сточн.воды(точечные источники загрязнения)	Коэффициент (кратность) разбавления	Оценка эффективности очистки, выявление опасных компонентов, регламентация сброса, экологическая паспортизация предприятий	Наборы биотестов
Природные воды (неточечные источники загрязнения)	ОТД, ХТД, ЛД50	Проверка соответствия качества воды установленным регламентам. Оценка токсикологического состояния водных объектов. Выявление зон экологического бедствия и чрезвычайных ситуаций	Набор биотестов

Условные обозначения: ЛК₅₀– летальная концентрация для 50% тест организмов; ЕК₅₀–эффективная концентрация для 50% тест-организмов; МНК – максимальная недействующая концентрация; ПДК – предельно допустимая концентрация; ОБУВ – ориентировочно безопасный уровень воздействия; ОТД – острое токсическое действие; ХТД – хроническое токсическое действие; ЛД₅₀– время гибели 50% тест- организмов.

В настоящее время общество осознало опасность токсического загрязнения окружающей среды и пришло к необходимости введения в практику мониторинга совершенно новых нетрадиционных подходов, в частности биологического тестирования.

Биотестирование является основным приемом в разработке ПДК химических веществ и, в конечном итоге, в оценке их опасности для окружающей среды и здоровья населения. В ходе разработки ПДК

определяют параметры, характеризующие токсичность: максимальные недействующие концентрации, ЛК₅₀или ЭК₅₀. Биотестирование на гидробионтах проводят в случае разработки рыбохозяйственных ПДК, когда оценивать опасность загрязнения водных экосистем.

Биотестирование используют для оценки токсичности промышленных сточных вод на разных этапах их очистки, чаще всего при внедрении новых технологий, а также для разработки ПДС предприятий включены в экологический паспорт предприятия.

Биотестирование природных вод стало широко применяться в научно-исследовательских работах, в том числе прикладной направленности, с начала 80-х годов. Это объясняется существенным увеличением уровня загрязненности водных объектов и надеждами специалистов на то, что биотестирование сможет хотя бы частично заменить химический анализ вод. Показатели биотестирования природных вод включены в перечень показателей для выявления зон чрезвычайно экологической ситуации и зон экологического бедствия.

Тем не менее, мониторинг токсического загрязнения на основе действующей в Украине системы ПДК химических веществ представляет определенные трудности. Прежде всего, они связаны с большим перечнем загрязняющих веществ, попадающих в экосистемы, и невозможностью их контроля, в том числе веществ, образующихся в самой экосистеме в результате ее метаболизма. Кроме того, даже измерение концентрации загрязняющих веществ не позволяет с высокой степенью достоверности судить об их реальном воздействии на биоту из-за неопределенности знаний об их совместных комбинированных эффектах, влиянии других агентов окружающей среды.

Под токсичностью и токсикологическими показателями иногда подразумевают концентрации токсичных загрязняющих веществ в воде. Именно так, в частности, трактуются эти термины в ГОСТе на питьевую воду. Более обоснованным представляется понимание токсичности воды как интегральной характеристики ее свойств, обусловленных присутствием в воде токсичных для биоты загрязняющих химических веществ, которую можно оценить с помощью биотестирования.

Работ по биотестированию водной среды опубликовано множество, но они были сделаны главным образом с целью оценки токсичности вновь синтезированных химических препаратов, препаратов, приобретаемых по импорту, а также при разработке регламентов на химические соединения. Гораздо меньше публикации по биотестированию сточных вод и еще меньше – по биотестированию природных вод.

Следует заметить, что за рубежом, особенно в индустриально развитых странах, биотестирование сточных и природных вод применяется достаточно широко и входит в программы, контролирующих качество вод организаций.

Большое разнообразие методик и процедур, использованных разными авторами, создает определенные трудности в анализе и систематизации материалов: исследуются разные химические вещества, разные наборы методик и тест организмов, разные условия токсикологических экспериментов, которые не всегда стандартизованы. Даже единицы измерения часто несопоставимы. В этой связи были проведены специальные работы по систематизации, отбору и апробации методов биотестирования природных вод в рамках ряда государственных научно-технических программ при участии ведущих специалистов по водной токсикологии.

Интегральный показатель токсичности, помимо общего неспецифического влияния на гидробионты, в некоторых случаях позволяет выделить некоторые специфические реакции на отдельные химические вещества или группы веществ. Так, например, ртуть является сильным ингибитором клеточного деления у водорослей, что позволяет по изменению соответствующих показателей судить о наличии ртути в водной среде. Были сделаны попытки создать своего рода шкалу для идентификации групп загрязняющих веществ по различным проявлениям токсического влияния, в частности по поведенческим реакциям у дафний. Шкала, однако, не имела популярности у специалистов.

В настоящее время хорошо известны методы биотестирования, ориентированные на определение токсичности водной среды, обусловленной присутствием определенных групп химических соединений, в частности фосфорорганических (ФОС). Ингибирующее воздействие ФОС на холинэстеразы известно давно. Сейчас установлено ингибирующее влияние на холинэстеразу и других химических соединений хлорорганических, тяжелых металлов; на этой основе разрабатываются экспрессные методы биотестирования с использованием иммобилизованных ферментов и электродной техники

Следует подчеркнуть, что идентификация природы загрязняющих веществ не является задачей биотестирования и остается прерогативой химического анализа.

В отличие от биотестирования токсичности химических веществ (с целью разработки ПДК), биотестирование природных вод представляет собой оценку токсичности водной среды неизвестного состава и имеет в связи с этим ряд особенностей. Однако даже если специалисту известны источники загрязнения водного объекта и он может предполагать, какие химические вещества присутствуют в пробе природной воды, результат биотестирования не может быть точно предсказан по этим данным. Он будет зависеть от ряда факторов: комбинированного эффекта воздействия комплекса присутствующих загрязняющих веществ, трансформации и метаболизма, гидрохимического режима. Таким образом, только биотестирование может дать ответ о реальной токсичности пробы природной воды для гидробионтов и получить данные об опасности токсического загрязнения водной экосистемы.