О.Ф. Филенко1, Г.М. Чуйко2, 3
1 Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
119991 Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, e-mail: ofilenko@mail.ru
2 Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папаниа РАН
152742 Борок, Ярославская обл., Некоузский р-н, ИБВВ РАН, е-mail: gchuiko@mail.ru
3 Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова,
150003 Ярославль, ул. Советская, 14
Приведены некоторые сведения по истории становления и развития в нашей стране актуального научно-прикладного направления, связанного с антропогенным влиянием на качество водной среды – водной экотоксикологии, начиная с конца XIX в. Рассмотрены основные события, служившие причиной обострения внимания к проблеме загрязнения окружающей среды, в частности, активизация хозяйственной деятельности. Приведены ссылки на работы исследователей, внесших основной вклад в формирование этого направления науки с учетом его целей и задач. Обсуждается взаимосвязь водной токсикологии с экотоксикологией и санитарной гидробиологией. Отмечена роль биотестирования, как основного метода водной токсикологии, в токсикологическом контроле и в установлении критериев качества водной среды. Помимо природоохранной задачи упомянуты и другие направления прикладной деятельности водной токсикологии, решаемые на основе её разработок (борьба с биоповреждениями и переносчиками заболеваний).
Ключевые слова: водная токсикология, загрязнение окружающей среды, биотестирование, критерии качества водной среды.
«Мы, люди – не единственный вид, наносящий ущерб окружающему миру, но в наше оправдание можно сказать, что мы – единственные, кто осознаёт последствия своего поведения и пытается хоть как-то поправить дело».
Дуглас Адамс (1952 – 2001 гг.),
английский писатель, драматург и сценарист
Антропогенное загрязнение окружающей среды – одна из важнейших проблем современной цивилизации. Однако это проблема не ограничивается сегодняшним днем и имеет глубокие корни. Было бы неверно думать, что раньше человечество существовало в полной гармонии с окружающей средой и лишь в последние полтора-два века эта гармония стала разрушаться. Так же ошибочно считать, что в обозримом будущем эта проблема исчезнет и человечеству удастся полностью исключить свое негативное влияние на окружающую среду в целом, и на водную – в частности [Моисеенко, 2009; Чуйко, 2014]. Какие бы совершенные технологии малоотходного производства и способы очистки выбросов и стоков не внедрялись, прямо или косвенно человек своей деятельностью будет воздействовать на окружающую среду в целом, и на воды суши и океанов, в частности.
Преследуя цель создать для своего существования более благоприятные условия жизни, человечество сознательно и целенаправленно изменяет среду своего обитания. По мере развития цивилизации её влияние на природу постоянно усиливается. Продолжающийся рост численности населения на планете и его все возрастающие потребности диктуют необходимость вовлечения в эксплуатацию все новых и новых минерально-энергетических сырьевых ресурсов, создания и активного использования новых химических соединений, материалов и технологий, наращивания промышленного и сельскохозяйственного производства. Все это ведёт к масштабному поступлению в природную среду веществ антропогенного происхождения, отсутствующих в природе и способных оказывать существенное влияние на функциональное состояние живых организмов и их сообществ. Накопление этих веществ в окружающей среде вызывает загрязнение и ухудшение её качества, что приводит к гибели организмов, деградации сообществ и целых экосистем.
На ранних этапах истории человечества его влияние на природу носило локальный, ограниченный характер и изменения в окружающей среде развивались достаточно медленно, в течение жизни нескольких поколений, а поэтому они были менее очевидны. В последнее столетие это влияние все больше и больше приобретает глобальные черты, и заметные изменения происходят уже за период жизни одного-двух поколений.
Если отойти от антропоцентрической точки зрения и подойти к проблеме с экологической позиции, то можно говорить, что влияние человека на окружающую среду – это неизбежный результат его жизнедеятельности, как и любого другого живого существа на Земле. Это является принципиальным моментом в определении стратегии взаимодействия человека и природы.
Если принять это положение, то усилия человечества должны быть направлены не на полное устранение своего влияния на окружающую водную среду, что принципиально недостижимо, а на то, чтобы понимать механизмы и пути своего воздействия на неё, научиться прогнозировать его негативные последствия, минимизировать их и на основе этого оптимизировать своё взаимоотношение со средой обитания. Это диктует необходимость изучения судьбы загрязняющих веществ в водных экосистемах, их биодоступности, биотрансформации, биоаккумуляции, ответных реакций биоты при их действии на организмы и структурно-функциональные характеристики отдельных популяций гидробионтов, их сообществ и водных экосистем в целом, а также нормирования допустимого уровня содержания этих веществ в водных объектах. На решение этих и других подобных задач и направлены усилия водной экотоксикологии.
Водная экотоксикология – современное научное направление, возникшее во второй половине прошлого столетия на стыке токсикологии, экологии, гидробиологии, гидрохимии, фармакологии, экологической физиологии и биохимии и др. В своем историческом становлении она прошла ряд условных этапов, диалектически связанных между собой принципом «от частного к общему». Так на ранних этапах ее развития интерес исследователей был сосредоточен, главным образом, на изучении влияния деятельности человека на основные водные биологические ресурсы – рыб, что дало повод позиционировать это научное направление как ихтиотоксикология. Главным сторонником такой формулировки в нашей стране был В.И. Лукьяненко [Лукьяненко, 1967; 1983 (Luk'yanenko, 1967; 1983)]. Однако достаточно быстро стало очевидным, что антропогенное влияние не ограничивается только рыбой, но касается её кормовых объектов (фито- и зоопланктон, бентос) и других групп гидробионтов. Кроме того, это влияние касается функционирования не только индивидуальных организмов, но и их популяций и сообществ. В связи этим стал широко использоваться термин «водная токсикология». В СССР этот термин в 1941 г. в научный обиход впервые ввел Н.С. Строганов (N.S. Stroganov), обозначив её как науку, «изучающую закономерности токсического влияния водной среды на водные организмы и на биологические процессы, протекающие в водоеме». В западной литературе водная токсикология определяется как «научное направление, задачей которого является изучение воздействия промышленно произведенных химических веществ и других антропогенных и природных материалов или видов деятельности (в совокупности называемых токсическими агентами или субстанциями) на водные организмы на различных уровнях биологической организации: от субклеточного через индивидуальные организмы до сообществ и экосистем» [Rand et al., 1995].
В СССР, а затем в России термин «водная токсикология» чаще использовался для научной дисциплины, изучающей действие токсических загрязняющих веществ, главным образом, на организменном уровне и в экспериментальных условиях. Хотя с самого момента её становления отечественные исследователи проявляли активный интерес к изучению процессов, происходящих на надорганизменных уровнях в естественных условиях при загрязнении водной окружающей среды.
Примерно в это же время, в 70-е годы прошлого века, за рубежом на стыке токсикологии и экологии формируется такое самостоятельное научное направление как экотоксикология [Newman, 2010].
Есть два наиболее известных определения экотоксикологии. Первое – это отрасль токсикологии, связанная с изучением токсических эффектов, вызванных природными и синтетическими загрязнителями, на составляющие экосистемы, животных (в том числе человека), растительные и микробные в едином контексте [Truhaut, 1975, 1977]. Второе – это новое научное направление, призванное обеспечить науку ключевыми знаниями о законах антропогенных преобразований природы, которые позволят в будущем разрешить противоречия, с одной стороны, между техническим прогрессом человечества, необходимостью обеспечения его продукцией, и с другой стороны – сохранения безопасных условий существования [Twardovska, 2004].
В начале XXI в. в научный обиход в России входит понятие «водная экотоксикология» как одна из относительно молодых областей более широкого научного направления экотоксикологии [Моисеенко, 2009]. В целом, предмет её изучения, основные цели и задачи созвучны с теми определениями, данными ранее Н.С. Строгановым (N.S. Stroganov) и G.V. Rand and co-authors.
С исторической точки зрения одним из первых в России предположение о возможном негативном влиянии промышленных сточных вод на водные объекты и биоту, в частности рыб, высказал академик К.М. Бэр (K.E. von Baer) по результатам изучения причин снижения рыбных запасов, в первую очередь стерляди на Верхней Волге [Бэр, 1860 (Baer, 1860)]. В своем отчете о волжской экспедиции 1853 г. он писал, что «усиливающаяся в некоторых местах Окской системы фабричная промышленность могла иметь вредное влияние на размножение рыбы посредством стока в реки минеральных веществ».
Еще одним аспектом, привлекавших внимание к природоохранной проблематике была перевозка нефти и нефтепродуктов из Каспийского моря в центральные районы России по Волге в наливных баржах, при которых, по разным причинам, происходили интенсивные утечки и загрязнения рыбных и пойменных угодий.
Уже в то время возникала конфронтация между промышленниками и рыбопромысловиками и защитниками живой природы вообще. “Нефтепромышленники, не желая тратить миллионы на обзаведение новым нефтяным флотом, всеми силами стараются доказать безвредность нефти. В виду столкновения разнообразных и крупных интересов, совершенно естественно то небеспристрастное отношение к этому вопросу, какое наблюдается и в жизни, и в литературе. Недостаточность научно-установленных фактов давала полную возможность трактовать вопрос согласно желанию и интересам каждого” [Купцис, 1903 (Kupcis, 1903)]. Эти слова были написаны на грани девятнадцатого и двадцатого веков, но расстановка интересов очень сходна с современной. Тогда же складывались школы, проявлялись правдоискатели и конформисты [Широкова, 2001 (Shirokova, 2001); Давыдов, 2006 (Davidov, 2006)]. Все последующие годы были посвящены поиску равновесия между необходимым и возможным во взаимоотношении человека с окружающей средой и установления свидетельств возможного неблагоприятного воздействия на экосферу.
В последние десятилетия регулярно появляются сообщения, имеющие отношение к разным аспектам загрязнения водной среды, претендующие на новизну. Однако, к сожалению, все реже цитируются первопроходцы в этой области, которыми были сформулированы основные идеи и намечены пути решения проблем взаимодействия человека в его хозяйственной деятельности с окружающей средой. И следует признать, что на сегодняшний день остается широкий круг нерешенных проблем, вызывающих дискуссии, начатые еще в конце девятнадцатого века.
Изначально проблема влияния потенциально вредоносных веществ на водные организмы зародилась и развивалась под давлением усиливающегося загрязнения поверхностных вод, как результата роста населения и развития хозяйственной деятельности. Не удивительно, что периодическое обострение общественного и научного интереса к проблеме было приурочено к активизации той или иной формы антропогенной деятельности. Очередная проблема загрязнения водной среды, приведшая к широким дискуссиям и первым экспериментальным оценкам токсичности загрязнения, стала предметом общественного внимания в конце 19 – начале 20 столетия, как следствие промышленного бума в некоторых районах России.
В результате нефтяного загрязнения в последнее десятилетие 19 в. заметно снизилась рыбопродуктивность волжской экосистемы. С исследованиями последствий загрязнения в то время связаны имена О.А. Гримма (O.A. Grimm) [1891, 1904], И.Н. Арнольда (I.N. Arnold) [1897, 1900], Н.А. Чермака (N.A. Tschermak) [1896], Г.В. Хлопина (G.V. Hlopin) [1898, 1900] и др., зачастую известные нам по повторным ссылкам. Большая часть дискуссии разворачивалась не только напрямую вокруг вопроса о рыбопродукции, но и других проблем экологии (уменьшение численности «мошек», загрязнение пойменных угодий). Помимо прямого действия на рыб обсуждается вопрос о влиянии нефти и ее продуктов на кормовую базу промысловых объектов. При этом реакция насекомых оказалась более ранним показателем экологического неблагополучия, чем рыбный промысел. Так, Гримм полагал, что только нефтяная пленка уничтожает в Волге ежегодно “118 млн. пудов мошек” [Гримм, 1881, 1889 (Grimm, 1881, 1889)]. Арнольд в качестве наиболее чувствительного объекта выделяет дафний [Арнольд, 1903 (Arnold, 1903)]. Следует отметить, что не все биологи соглашались с оценкой нефтяного загрязнения, как угрозы для рыбного промысла [Никольский, 1893а, 1893б, 1893в (Nikolsky, 1893a–с)].
Уже в то время исследователи пытались разобраться в механизме действия нефти на рыб и выявить ее наиболее токсичные компоненты. В качестве примера существовавших подходов и скрупулезности в проведении исследований может служить брошюра, изданная в 1901 г в Санкт-Петербурге, с названием “Дальнейшие исследования относительно вредных свойств нефти и ее продуктов для рыб и животных”. Брошюра представляет собой диссертацию И. Д. Купциса “на степень магистра фармации”, выполнявшуюся в университете г. Юрьев в лаборатории профессора Г. В. Хлопина. Подзаголовок работы звучит так: “Материалы по вопросу о необходимости ограждения Волги и других русских рек от загрязнения нефтяными продуктами с санитарной точки зрения”.
Введение начинается со следующей фразы: “Загрязнение рек вообще, и особенно – Волги, нефтью один из важных вопросов настоящего момента”. Заявлено более ста лет назад, а полностью перекликается с современными обоснованиями исследований по загрязнению окружающей среды. Это иллюстрирует то, насколько проблема была в числе актуальных уже в девятнадцатом веке.
Обращает на себя тщательность проведения работы. Автор подробно описывает состав апшеронской нефти, свойства ее различных фракций, технологию их выделения.
И в связи с этим задачами работы Купциса служило следующее:
“1. Экспериментальным путем доказать присутствие или отсутствие ядовитых для рыб веществ в нефти различного происхождения и в некоторых нефтяных продуктах.
2. Изучить влияние различных солей на растворимость нефти в воде.
3. Изолировать нефтяной яд и определить его химическую натуру”.
В работе он пишет: “Исследователи, отрицающие всякое вредное действие нефти на рыбу, высказали сомнение относительно лабораторных опытов, как не соответствующих естественным условиям, и указывали на то, что рыба может умереть при постановке таких опытов без всякой нефти и вообще без всякого яда”.
Однако автор доказывает, что если в сосудах обеспечивался достаточный уровень кислорода, то и плотва, и уклея, и лещ, и ерш, и голец, и окунь могут жить в аквариуме практически любой естественный срок. Очевидно, в пору становления экспериментальной ихтиологической техники даже такая возможность нуждалась в подтверждении. Автор тщательно исследовал зависимость состояния рыб разных видов от концентрации в воде кислорода и углекислоты.
После этого автор перешел к исследованию нефти из разных источников, нефтепродуктов и отдельных фракций, всего 16 субстанций (петролейный эфир, бензин, лигроин, тяжелый бензин, керосин, солярка, пиронафт, веретенное, цилиндровое и машинное масло, мазут) из которых готовились водные вытяжки.
При строгом контроле температуры, уровня кислорода, перманганатной окисляемости проводилось наблюдение действие вытяжек в 3-х разведениях на несколько видов рыб в сроки до недели. В результате выявлялись пороговые уровни загрязнения, способные вызывать видимый эффект на рыб различных видов.
Затем последовало «получение из нефти ядовитых веществ в чистом виде». Для этого автор собственноручно проводил фракционирование нефти с применением щелочей и кислот, выделял «низкокипящие» и «высококипящие» фракции, каждый из продуктов до 14 суток выдерживал при действии комплекса экологических факторов.
В результате автор приходит к выводу о том, что ядовитая фракция нефти включает нафтеновые кислоты с примесью летучих компонентов и фенолов, нефть и ее продукты становятся токсичными только после окисление в естественных условиях, но предельные углеводороды при этом превращения не проходят. Важную роль в растворении нефти играет присутствие солей в воде. Поэтому растворимость нефти в дистиллированной, водопроводной и морской воде существенно различается. Причем, вслед за этим, изменяется и токсичность. Автор показал, что большинство солей растворимость снижает, а углекислые соли кальция и магния – увеличивают. В связи с этим добавление к вытяжкам из нефтепродуктов хлорида натрия и сульфата магния снижала их токсичность, а карбонатов кальция и магния – повышала. Даже в наше время исследователи не всегда принимают во внимание, а иногда – и просто не знают об этих закономерностях.
Выделив наиболее токсичную фракцию из нефтепродуктов, автор провел испытание ее влияние при разных степенях разведения на рыб, относящихся почти к тридцати видам.
Более чувствительны, чем взрослые рыбы оказались икра и мальки сига и форели.
Опыты с вытяжками из мазута и с токсичной фракцией продолжались на 5 видах рыб в срок, превышающий два с половиной месяца.
Испытания на рыбах дополнялись опытами с раками, лягушками, кошками и собаками. И в завершение этого цикла автор провел испытания ядовитой фракции на себе. Симптоматику отравления, которое, к счастью, завершилось восстановлением, автор прилежно описывает.
И заключительный этап, который назвали бы внедрением в практику, это – испытание дезинфицирующих свойств фракции нафтеновых кислот для некоторых патогенных видов микроорганизмов, включая штамм холерного вибриона, возбудителей сибирской язвы и тифа. Сформулированные по результатам исследований 20 выводов могут служить и в наши дни примером четкости изложения, оставаясь выводами, а не тезисами по работе. Некоторые из них могут быть и сейчас открытием для специалистов, исследующих биологические эффекты нефтепродуктов. Таким образом, результаты исследований, проведенных в конце 19 – начале 20 в., могут быть снова актуальными в период современного нефтяного бума в нашей стране.
Приблизительно в этот же период стали обостряться проблемы загрязнения водных объектов в связи с развитием промышленности в центральных районах России, транспортом и переработкой древесины [Давыдов, 2006 (Davydov, 2006)]. Так, предприятия переработки древесины и производства бумаги послужили важным источником как эвтрофирующего, так и токсичного загрязнения. Исследованиям биологического действия и экологических последствий такого рода загрязнений в первой половине ХХ века и последующие годы были посвящены работы Я.Я. Никитинского (Ya.Ya. Nikitinsky), В.И. Долгова (V.I. Dolgov) [1913, 1927], И.Ф. Правдина (I.F. Pravdin), [1940], А.Г. Гусева (A. G. Gusev) [1950, 196I, 1967].
Формы и источники загрязнения водной среды неоднократно рассматривались и систематизировались в работах Е.А. Веселова (E.A. Veselov) [1948, 1953, 1971, 1978].
Выдающийся вклад в развитие проблемы исследования последствий загрязнения водной среды в нашей стране внес Николай Сергеевич Строганов (Nikolaj Sergeevich Stroganov) – основоположник и создатель нового направления в гидробиологии – водной токсикологии. Им сформулированы задачи этой новой науки, введён сам термин "водная токсикология" [1968 а, б; 1970]. Исследования в этом направлении под влиянием идей профессора С.Н. Скадовского (S.N. Skadovsky) в области физико-химической биологии были начаты Н.С. Строгановым (N.S. Stroganov) ещё в 1932 году, т.е. задолго до того, как стал очевидным глобальный масштаб вреда, наносимого окружающей среде антропогенным загрязнением. Обобщающая работа «Токсикология водных животных в связи с действием промышленных сточных вод на водоем» была опубликована им в «Зоологическом журнале» в 1940 г. В 1941 г. Н.С. Строганов (N.S. Stroganov) (совместно с А.Т. Пожитковым (A.T. Рozhitkov) подготовил первую в СССР монографию, где были обоснованы принципиально новые пути дальнейших исследований в этой области.
Уже в 1941 г. Николай Сергеевич впервые ввел в токсикологические исследования представление о биологической норме, критерием которой может служить сохранение вида, т.е. уже в то время он закладывал экологический подход в оценках антропогенного влияния на окружающую среду. На этой основе было сформулировано понятие “биологического критерия токсичности” [Строганов (Stroganov), 1968а], обсуждалось представление о «норме и патологии» [Строганов, 1983 (Stroganov, 1983); Камшилов, 1983 (Kamshilov, 1983);] на всех уровнях биологической организации живого (“от суборганизменного до экосистемного”). Все эти вопросы выходят за рамки проблемы только водной токсикологии и имеют общебиологическое значение.
Конкретно и с учетом перспективы задачи и проблемы водной токсикологии были сформулированы им в программном докладе “Загрязнение вод и задачи водной токсикологии” на 1-й Всесоюзной конференции по водной токсикологии в 1968 г. [Строганов, 1968а (Stroganov, 1968а)]. С биологической точки зрения Н.С. Строганов чистой считал ту воду, “в которой могут нормально существовать полезные для человека биоценозы и которая не приносит вреда человеку ни прямо, ни косвенно”. В этой формуле вода и населяющие ее биоценозы однозначно связаны с нуждами человечества.
А среди первоочередных стратегических задач этого направления исследований Николай Сергеевич выделял такие основополагающие с точки зрения общей биологии вопросы, как мишени воздействия чужеродных веществ, функционирование систем регуляции в организме в условиях интоксикации, связь между химической природой вещества и его биологическим действием, между уровнем организации гидробионтов и их отношением к воздействию токсикантов, критерии нормы и патологии организма, соотношение материальной и функциональной кумуляции при токсическом действии, привыкание и адаптация к ядам, отдаленные последствия хронического действия загрязнения на водные экосистемы. Все эти вопросы остаются актуальными и в настоящее время.
Экологический подход всегда проходил красной нитью через представления Николая Сергеевича, в том числе и о задачах водной токсикологии. В частности, он считал необходимой оценку эффектов токсического фактора на все основные звенья экосистем, сохранение биологической нормы помимо хозяйственной, учет влияния сопутствующих факторов среды в условиях интоксикации, необходимость установления чувствительности организма в онтогенезе. Н.С. Строганов ввел представление о деградации водных экосистем в условиях загрязнения. Наряду с «нормой организма» он ставил вопрос об «экологической норме» и пределах допустимых изменений в экосистеме в условиях загрязнения.
Формулируя в 1969 г. понятие биологического критерия токсичности, принципы построения главной методики в водной токсикологии основное внимание он уделял оценке жизнеспособности (выживаемость, размножение, плодовитость и качество потомства) полезных для человека гидробионтов. При этом ценность организмов определялась их ролью в трансформации вещества и энергии в водных экосистемах, обеспечения человека чистой водой и промысловой продукцией. Этот принцип в наше время стал основополагающим в оценках экологического эффекта факторов окружающей среды, является очевидным и кажется естественным. То, что даже администраторам и руководителям производств сейчас кажется очевидным, Николаю Сергеевичу приходилось доказывать даже некоторым специалистам-экологам.
В итоге из эпизодических исследований и несистематизированных представлений было сформировано актуальное научное направление, имеющее определенный предмет, цели, задачи, методы исследования.
В дальнейшем им были разграничены понятия биологической и хозяйственной нормы, путаница в которых долгое время приводила к острым дискуссиям о разграничении компетенции водной токсикологии, санитарной гидробиологии [Винберг, 1972 (Vinberg, 1972); Семерной, 2002 (Semernoi, 2002)], ихтиотоксикологии [Лукьяненко, 1967, 1983 (Lukyanenko, 1967, 1983)], альготоксикологии [Брагинский, 19 (Braginsky, 19)] и пр. Представления о компетенции каждой из дисциплин со временем корректировались, акценты смещались. Так, если первоначально санитарной гидробиологии отводили проблематику химического загрязнения вод, то со временем оказалось, что помимо химического загрязнения, на качество воды могут влиять такие факторы, как тепловое загрязнение, мелиоративные и строительные работы, последствия действия которых также должно находиться в поле зрения этой дисциплины. Если первоначально вся проблематика химического загрязнения вод считалась предметом санитарной гидробиологии [Жадин, 1967 (Zhadin, 1967)], то позже были выделены более конкретные направления интересов санитарной гидробиологии [Винберг, 1972 (Vinberg, 1972)]:
1. Изучение биологического самоочищения вод, его количественная оценка с попытками моделирования и управления.
2. Биологическая индикация качества вод с математической интерпретацией результатов анализа.
3. Определение закономерностей органолептических качеств воды.
4. Усовершенствование, интенсификация и поиск рентабельных методов искусственной биологической очистки сточных вод.
5. Разработка новых эффективных приемов и методов для санитарно-гидробиологических исследований.
Санитарная гидробиология ‒ это часть общей санитарии, сугубо медицинской дисциплины, занимающейся изучением и разработкой теоретически обоснованных требований общественной гигиены и практическим проведением санитарно-гигиенических и противоэпидемических мероприятий. В связи с этим, санитарная гидробиология представляет собой вспомогательную дисциплину практической направленности, призванную решать частные проблемы санитарии, связанной с неблагоприятными для человека (но не водной биоты) последствиями антропогенной деятельности для водных экосистем. Задачей санитарной гидробиологии является обеспечение условий сохранения качества водной среды и продукции с позиций хозяйственной нормы независимо от фактора, способного их нарушить. Особое внимание уделяется роли водных организмов в формировании качества водной среды.
В последние годы водная токсикология иногда отождествляется с водной экотоксикологией. Впервые, экотоксикология, как исследовательское направление, была выделена Р. Трюо [Truhaut, 1975]. Применительно к водной среде рассматривается водная экотоксикология [Моисеенко, 2009 (Moiseenko, 2009)]. Однако, кратко сферу компетенции водной экотоксикологии можно определить следующим образом. Водная экотоксикология – та часть экологии, которая исследует вопросы, связанные с появлением в экосистемах потенциально токсичных веществ, та часть общей токсикологии, которая исследует токсические влияния на водные организмы, и, наконец, та часть водной токсикологии, которая посвящена природоохранным аспектам загрязнения водной среды токсичными веществами.
Существенной особенностью водной экотоксикологии служит то, что она в качестве важного элемента включает рассмотрение проблем источников, перемещения и трансформации в окружающей среде загрязняющих веществ, которым водная токсикология в нашей стране существенного внимания не уделяла. Однако, с развитием аналитических возможностей химии, токсикокинетика, т.е. раздел о путях поступления, механизмах всасывания, распределения, накопления, биотрансформации в организме и выделения токсикантов, заняла должное место в ряду основных задач в водной токсикологии.
Наряду с фундаментальными задачами в области водной токсикологии Н. С. Строгановым были обозначены первоочередные прикладные задачи, которые и в настоящее время служат основой системы эколого – рыбохозяйственного нормирования, токсикометрического биотестирования, борьба с вредоносными организмами.
Различные аспекты проблемы влияния загрязнения на качество воды, как среды обитания, состояние населения вод и водные сообщества находили отражение в трудах видных советских и российских исследователей:А.Г. Гусева [1950, 196I, 1967, 1970] (A. G. Gusev, 1950, 196I, 1967, 1970), Л.П. Брагинского [1968, 1970, 1972, 1975] (L.P. Braginsky (1968, 1970, 1972, 1975), Л.А. Лесникова [1968, 1974, 1977] (L. A. Lesnikov, 1968, 1974, 1977), Б.А. Флерова [1974, 1977, 1989] (B.A. Fleorov, 1974, 1977, 1989), О.Г. Миронова [1967, 1968, 1969, 1973] (O.G. Mironov, 1967, 1968, 1969, 1973), С.А. Патина [1979, 1997] (S.A. Patin, 1979, 1997); Михайловой Л.В. [1991, 2012] (Mikhailova, 1991, 2012).
Исследование молекулярных, биохимических, физиологических механизмов, выявление биомаркеров токсического действия проводилось и проводится в ряде организаций, сформировавших авторитетные школы [ Флеров, 1989 (Flerov, 1989); Сидоров и др., 2002, 2003 (Sidorov, 2002, 2003); Немова и др., 2002 (Nemova, 2002); Руднева, 2000, 2016 (Rudneva, 2000, 2016), Лукьянова, 2014 (Lukianova, 2014); Лапирова, 2014 (Lapirova, 2014); Козловская и др., 1983 (Koslovskaya et al., 1983); Kozlovskaya, Mayer, 1984; Козловская, Чуйко, 1985 (Koslovskaya, Chuiko, 1985); Chuiko, 2000; Chuyko, 1987; Чуйко, 2014, 2017].
Все прошедшие годы предпринимались шаги по сближению лабораторных и натурных исследований. Практиковались исследования на модельных экосистемах, микрокосмах, мезокосмах [Щербань, 1969 (Scherban, 1969); Биологические процессы…, 1984 (Biologicheskie protsessy…, 1984); Брагинский, 1986 (Braginsky, 1986); Михайлова, Исаченко-Боме, 2012 (Mikhailova, Isachenko-Bome, 2012)].
Приоритетным результатом прикладных разработок водной токсикологии служит установление биологически обоснованных лимитов загрязнения водной среды – предельно-допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ. Эти лимиты были предназначены для охраны всего населения вод и, в отличие от «гигиенических» нормативов [ГН 2.1.5.689-98, 1998], называются «рыбохозяйственными». Нормирование загрязнения водной среды долгое время остается объектом разнонаправленной критики. С одной стороны, его обвиняли в ужесточении требований к хозяйственной деятельности [Максименко и др., 2015 (Maksimenko et al., 2015)], а с другой стороны ‒ практику нормирования упрекали в недостаточной экологичности и фактической легализации загрязнения [Левич и др., 2011 (Levich et al., 2011].
В основу действующей методической схемы установления лимитов были положены следующие принципы [Методические указания…, 1998 (Metodicheskie ukazaniia…, 1998), Филенко, 2008 (Filenko, 2008); Филенко, Медянкина, 2011 (Filenko, Mediankina, 2011)].
1. 3ащите подлежит многокомпонентная в экологическом отношении система, где основные элементы должны быть защищены постоянно.
2. Водная экосистема при загрязнении теряет стабильность в результате последовательного выпадения самых чувствительных звеньев. Поэтому при определении допустимых уровней для каждого компонента и системы в целом необходимо ориентироваться в эксперименте на самое чувствительное звено в ассортименте контролируемых показателей эффекта.
3. В процессе экспериментальных оценок токсичности испытания должны быть в обязательном порядке проведены хотя бы на одном представителе каждой из основных экологических групп водного сообщества.
4. Получаемые в процессе токсикометрических испытаний результаты должны быть воспроизводимы, в связи с чем при установлении лимитов качества водной среды должны быть использованы тест-объекты в основном из контролируемых культур.
5. Показатели эффекта вещества разграничиваются на основные (или интегральные) и вспомогательные (или частные).
6. Действующими считаются концентрации, вызывающие как токсический, так и эвтрофицирующий эффект.
7. Нормативы в качественном и количественном отношениях должны обеспечиваться химико-аналитической базой в настоящий момент или в ближайшей перспективе.
8. Для каждого из химических соединений может быть установлена только одна величина эколого-рыбохозяйственного норматива (за исключением случаев, предусмотренных условиями регионального нормирования).
9. Уровень токсикорезистентности культур и выборок тест-объектов, используемых при установлении лимитов, может со временем меняться, в связи с изменением внешних условий и внутренних свойств организмов и поэтому должен периодически контролироваться по эффекту на них токсиканта сравнения, для чего определяется ЭК50 для этого токсиканта за 48 ч. В качестве токсиканта сравнения рекомендован бихромат калия.
Экспериментальные исследования по разработке ПДК могут быть дополнены натурными исследованиями при появлении сведений, подтверждающих такую необходимость.
С учетом этих требований методическая схема предусматривает проведение хронических испытаний действия обследуемого вещества на основные трофические и систематические группы гидробионтов «от бактерий до рыб». Таким образом обеспечивается, насколько возможно, экологическая надежность устанавливаемых критериев и предполагается возможность воспроизводимости результатов. В результате на сегодняшний день установлены рыбохозяйственные ПДК более, чем для тысячи веществ.
В качестве альтернативы экспериментальному установлению ПДК рассматривается возможность нормирования на основе наблюдений in situ на загрязняемых водоемах [Константинов, 1986 (Konstantinov 1986); Булгаков и др., 1997 (Bulgakov et al 1997); Левич, Терехин, 1997 (Levich, Tereochin 1997); Левич и др., 2010 (Levich et al. 2010)]. С учетом многообразия условий природной среды для каждого загрязняющего вещества предполагается установление множества нормативов для различных водных объектов (и их частей), стоков разного состава и климатических условий. Однако на основе этой концепции до сегодняшнего дня не предложено обоснованного норматива ни для одного из загрязняющих веществ.
С самого начала своего становления как научного направления водная токсикология ставила своей основной задачей изучение влияния загрязняющих веществ на водные организмы. Однако практически одновременно с этим стало формироваться понимание того, что ответные реакции биологических систем на загрязнение на разных уровнях биологической организации могут быть использованы как эффективный инструмент для оценки степени негативного воздействия загрязнения и на водные экосистемы, а также для нормирования содержания загрязняющих веществ в водной среде, осуществления экологического мониторинга и прогнозирования экологических рисков и т.д. К настоящему времени сложилось понимание принципов построения системы комплексной оценки экологического состояния водных объектов. Такая система должна включать анализ абиотических факторов и эффектов их действия на биоту.
Для качественной и количественной оценки абиотических факторов окружающей среды используются аналитические физико-химические методы, а – для оценки степени их воздействия на биоту по её реакциям на разных уровнях биологической организации ‒ методы биодиагностики [Чуйко, 2017 (Chuiko, 2017)].
Биодиагностика, в свою очередь, включает биомаркирование, биотестирование и биоиндикацию. Биомаркирование служит для оценки степени воздействия этих факторов на состояние здоровья гидробионтов с использованием биомаркеров – морфофункциональных показателей, регистрируемых на суборганизменном и организменном уровнях биологической организации, таких как молекулярно-генетический, биохимический, физиологический и гистологический [Лукьянова, 2001 (Lukiyanova; 2001); Adams, 2002; Немова, Высоцкая, 2004 (Nemova, Vysotskaya, 2004); Чуйко, 2014 (Chuiko, 2014)]. Биотестирование позволяет оценить токсичность воды и донных отложений по общим биологическим реакциям организма (выживаемость, размножение, рост, двигательная активность и т.п.) с использованием лабораторных культур тест-организмов разных экологических уровней (микроорганизмы, простейшие, одноклеточные водоросли, беспозвоночные, икра, мальки и взрослые рыбы). Биоиндикация – это обнаружение и определение экологического значения антропогенных нагрузок на водный объект на основе