Экология включает в свои исследования изучение изменения физиологического статуса организма, экосистемы и их структурных составляющих под воздействием тяжелых токсичных металлов.
Ключевые слова: экотоксикология, адаптация, окружающая среда, антропогенный фактор, коэволюция, наночастицы.
Загрязнение окружающей среды предоставило нам уникальную возможность наблюдать эволюцию в действии.
М. Бигон
Лавинообразный рост ярких негативных последствий индустриальной революции проявился особенно отчетливо в середине прошлого столетия. Нарушения природы во многих случаях приобрели неуправляемый и не обратимый характер. Стремительный рост численности населения на планете, экстенсивное вовлечение в эксплуатацию минерально-сырьевых ресурсов и технический прогресс драматическим образом отразились на состоянии окружающей среды. Человечество столкнулось с рядом масштабных антропогенно-индуцированных явлений в региональном и глобальном масштабе, таких как изменение климата, выпадение кислотных осадков, обогащение природных сред металлами, обладающими сильными канцерогенными свойствами и как следствие появление новых токсичных синтезированных веществ [1].
Известно, что техногенные преобразования на планете в последние десятилетия происходят столь стремительно, что сопоставимы с геологическими катастрофами. Несмотря на все усилия человека минимизировать негативные последствия своей жизнедеятельности на планете, человек изменял, изменяет и впредь будет изменять среду обитания в той или иной степени. Одной из актуальных стала задача — разрешить противоречия между техническим прогрессом и необходимостью удовлетворения возрастающих нужд человечества ресурсами для сохранения жизнеобеспечивающей биосферы. До каких пор и пределов мы можем воздействовать на природные объекты без ущерба сохранения их природного, оздоровительного, эстетического, ресурсного и рекреационного потенциалов. Очевидно, развитие цивилизации остановить невозможно. Но также не вызывает сомнения в необходимости гармоничной коэволюции человечества и биосферы. Логичен вопрос–ноосфера как возможное будущее — это утопия или достижимая цель?
Идея «устойчивого развития» получила большую популярность в современной науке, была подхвачена и тиражирована в последние два десятилетия практически всеми странами. Предлагаемые в научной литературе механизмы, обеспечивающие с одной стороны, экологические требования к сохранению среды обитания, а с другой — экономическое обеспечение устойчивого и разнообразного развития общества.
Учитывая высокую актуальность и практическую значимость экологически обоснованных требований к ограничению загрязнения природных сред, многообразие направлений, по которым ведутся исследования, количество теоретических воззрений на эту проблему может быть достаточно большим. Экотоксикология как новое междисциплинарное научное направление может взять на себя ключевую роль в создании теоретических основ нормирования загрязнения.
Экология включает в свои исследования изучение воздействия тяжелых токсичных металлов на экосистемы и их структурные составляющие. Геоэкология изучает изменение природных сред, включая распространение и круговорот синтезированных органических веществ или рассеянных человеком металлов с токсичными свойствами. Токсикология ставит задачи по выявлению опасных свойств токсичных веществ, в особенности элементов для живых организмов.
Стремительно возрастающая популярность нанотехнологий неизбежно приведет и рассеиванию в биосфере наночастиц, которые могут также оказывать негативные воздействия с пролонгированными эффектами для биологических систем, включая отдаленные генотоксичные и геномодифицирующие, последствия. Очевидно, экотоксикология как научное междисциплинарное направление должна играть ключевую роль в понимании круговорота и обогащения природных сред наночастицами и их воздействии на организмы, популяции и экосистемы. В настоящее время большое внимание в исследованиях занимают пролонгированные дозы наноконцентраций многих опасных элементов и синтезированных органических веществ.
По мере развития науки и повышения точности аналитических измерений и определений появляются все больше и больше данных о новых токсичных свойствах тех или иных веществ и тяжелых токсичных элементов в природных средах или их форм. Примером может служить алюминий, который широко распространен в земной коре, но в определенных формах, воздействуя на человека, способен вызывать ряд неврологических заболеваний. В последние годы отмечается рост концентрации таких элементов, как Pt, Rh, Pd, Ga, Ir являющихся результатами широкого развития радио и электронной индустрии, у которых экотоксичные свойства не выяснены до конца.
В последние два десятилетия наука стала накапливать данные о восстановлении экосистем после загрязнения, включая их оживление после токсичного стресса. Поэтому необходимы междисциплинарные знания не только для того, чтобы предвидеть и предотвращать опасные для человечества явления, но и грамотно направлять усилия на помощь естественным процессам восстановления экосистем, что значительно сведет до минимума трудовые и финансовые затраты на их восстановление.
Поддержка благоприятного качества вод и продуктов питания в достаточном количестве является необходимым условием сохранения здоровья населения, биоразнообразия, самовозобновляемой рыбной, природной и промышленной продукции, эстетического и рекреационного потенциалов природы.
В последние годы, в век научно-технического прогресса одной из важнейших проблем, стоящих перед человечеством, стала охрана окружающей среды, в особенности флоры и фауны. Повышенный интерес к проблеме определения тяжелых токсичных металлов (ТТМ) в объектах окружающей среды вызван значительной распространенностью их в природе, сравнительно большой токсичностью, способностью к миграции и биоконцентрированию. Основная часть тяжелых токсичных металлов, поступающая в окружающую нас среду, имеет техногенный характер антропагенного происхождения и связана с их использованием в сельском хозяйстве, органическом синтезе, радиоэлектронике и других областях науки, техники и промышленности.
Проблемы глобального мониторинга объектов окружающей среды предусматривают наблюдения за уровнями загрязнения не только в промышленных, но и относительно экологически чистых районах для выявления естественного фона.
В то же время известно, что растениям необходим весь комплекс элементов питания, включающий как макроэлементы (азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера, железо, марганец и др.), так и микроэлементы (медь, цинк, кобальт, молибден, свинец, никель, кадмий и др.). Последние входят в состав большого числа ферментов, ускоряющих биохимические реакции в растениях. В последнее время расширилась область применения минеральных удобрений, в том числе и микроудобрений. Некоторые из них, особенно в форме растворимых солей, выпускаются промышленностью в недостаточных количествах, поэтому в ряде случаев перспективно использовать отходы, содержащие микроэлементы в качестве микроудобрений.
Осадки городских сточных вод, содержащие (мг/кг) 52–1170 меди и 10–5300 никеля могут быть использованы в качестве органоминеральных удобрений, однако при их длительном применении существует опасность избыточного накопления тяжелых токсичных металлов в почве, что в конечном счете может привести к ухудшению качества сельскохозяйственной продукции.
Известно, что благодаря буферным свойствам почвы часть внесенных соединений тяжелых токсичных металлов может трансформироваться в недоступные для растений формы и, наоборот ранее недоступные соединения могут переходить в подвижное состояние. В связи с этим важное значение имеет контроль за содержанием их подвижных форм тяжелых токсичных металлов, в основном формирующих поток ионов в растение.
Как правило, концентрация этих металлов в атмосфере колеблется от 0,005 до 500 нг/м³, в водах от 2 нг до 50 мкг/л. В незагрязненных породах, песке и почве содержание тяжелых токсичных металлов в среднем составляет 0,1–0,2 мг/кг. Столь низкие уровни содержания металлов требуют применения исключительно чувствительных методов контроля [2].
Известно, что минимальные количества тяжелых токсичных металлов попадают в организм человека и животных разными путями: с пищей, питьевой водой, воздухом и т. д. В настоящее время известна степень токсического воздействия различных металлов на все живое, и, в особенности, на организм человека и животных.
Сточные, поверхностные и другие воды являются компонентами природы, сознательные преобразования или попутные изменения которых в результате человеческой деятельности наиболее существенны. Антропогенный фактор в формировании химического состава вод становится по значимости в одном ряду с природными геохимическими, химическими и биологическими процессами [3]. Преобразование водосборов, трансграничные потоки, атмосферные выпадения, индустриальные и хозбытовые прямые сбросы, неорганизованные стоки с селитебных территорий приводят к поступлению токсичных веществ в водные объекты и ухудшению качества вод.
Экотоксикология как научное направление призвана сыграть решающую роль в обеспечении науки ключевыми значениями, которые позволяют в будущем разрешить противоречия между техническим прогрессом человечества и необходимостью обеспечения его чистой водой, сохранения природной среды и ее биоразнообразия. В объективе исследований экотоксикологии находится изучение судьбы загрязняющих веществ (миграция, трансформация, седиментация, взаимодействия) в окружающей (водной) среде и их влияния на организмы, популяции, сообщества и экосистемы. Она использует теоретические принципы и методы ряда научных дисциплин наук о Земле и Жизни, таких как экология, токсикология, химия, геохимия, медицина и др. в прямой зависимости от решения теоретических задач и познания закономерностей изменения водных экосистем и их структурных элементов находят обоснование и реализация практических задач по ограничению антропогенных воздействий до пределов, обеспечивающих гармоничную коэволюцию природы и человечества.
Все вещества, обладающие экотоксичными свойствами и поступающие в объекты окружающей среды подразделяются на следующие классы:
1. Металлы и металлоиды — элементы, существующие в природе, оказывающие токсичное действие на живые организмы в высоких концентрациях или в определенных формах нахождения;
2. Стойкие органические соединения, синтезированные человеком или являющиеся побочными продуктами тех или иных технологических процессов с природными веществами (большая группа гербицидов, инсектицидов, полиароматических соединений, диоксанов, фуранов, фталатов, стиролполиацетатвинил и других веществ);
3. Природные токсины, которые являются вторичными эффектами человеческой деятельности; токсины синезеленых водорослей при эвтрофировании водных объектов как следствие неконтролируемого поступления биогенных элементов в водные объекты.
Многие природные элементы, извлеченные из недр, обогащенные в технологических циклах и рассеянные в окружающей среде, оказывают токсичное действие на живые организмы.
Экотоксичные свойства металлов зависят от ряда факторов:
1) Химического состава природных вод;
2) Химических свойств иона самого металла и его способности к комп-лексообразованию;
3) Степени опасности для окружающей среды (способности к проник-новению, биоаккумляции и разрушающему действию на организмы). Все природные элементы подразделяются на эссенциальные (биофильные) и неэссенциальные.
К первой группе относятся большая группа металлов, таких как Fe, Co,Cu, Cr, Mn, Zn и др. эти элементы функционально присущи в тех или иных концентрациях живым организмам, однако при высоких уровнях содержания в окружающей среде оказывают на них токсическое действие, их накопление в организме приводят к нарушению ряда биохимических функций.
Другие микроэлементы, такие как As, Cd, Hg, Pb, известны как высокотоксичные и относятся к неэссенциальным элементам. Неэссенциальные металлы могут быть токсичными даже при очень низких уровнях в окружающей среде. Они обладают высокой способностью к биоаккумуляции в трофической структуре водных экосистем.
Как известно, организмы обладают способностью к регуляции концентраций металлов и детоксикации органических ксенобиотиков. Вместе с тем они в больших количествах могут накапливаться в живых организмах, что приводит к нарушению важнейших функций организма. Биоаккумуляция органических ксенобиотиков и неэссенциальных элементов может лежать в основе не только острых токсических эффектов, но и отсроченных хронических. Стойкие органические загрязнители могут также передаваться потомству, у птиц и рыб — с содержимым желточного мешка, у млекопитающих — с молоком кормящей матери. При этом возможно развитие эффектов у потомства, не проявляющихся у родителей.
Все химические токсичные элементы и соединения первоначально вызывают нарушения структуры и функций молекул, что приводит к изменению их функционирования в клетке и, в свою очередь, отражается на структуре и функциях клеточных органелл, которые изменяют физиологический статус организма.
В иерархии экотоксикологических исследований молекулярный уровень важен для понимания механизмов токсического действия. Клеточный уровень находится между молекулярным и организменным. Он очень важен для предсказания последствий токсичного влияния на жизнедеятельность целого организма. Он также значим в понимании изменений на популяционном уровне. Развитие массовых заболеваний (неоплазии, раковых изменений в тканях) приводит к элиминации живого организма и сокращению продолжительности жизни, что отражается на структуре популяции.
Способность повышать энергетический обмен для выживания в стрессовой ситуации выработана у людей и животных в процессе эволюционного развития и является важнейшей их преадаптаций к изменению условий среды. Закономерности подобного характера выражены столь отчетливо, что они возводятся в ранг «законов». Токсичное загрязнение вод, бесспорно, создает «экстремальность» условий обитания для живых организмов. Для выживания в новых условиях токсичного загрязнения организма несут энергитические затраты, связанные с активацией механизмов детоксикации проникающих в организм ядов. Поэтому затраты энергии, необходимые для поддержания обычного метаболизма, роста и воспроизводства, будут значительно изменяться в стрессовых условиях. Если расход энергии на поддержание жизнеобеспечивающего метаболизма увеличится как следствие мобилизации механизмов детоксикации, то сократится та ее часть, которая будет запасена в тканях прироста и репродукции.
Основной для адаптации популяции к изменению окружающей среды являются генетическая вариабельность и селекция толерантных видов. При этом редукция генетического разнообразия может увеличить устойчивость к определенному виду токсиканта, но снизить адаптивные возможности в целом популяции к другим видам загрязнения. Селекция толерантных генотипов к действию загрязняющих веществ может сигнализировать, что популяция находится под давлением загрязнения длительный период. В научной литературе получены доказательства, что под селективным действием токсичного фактора происходят микроэволюционные преобразования в популяциях.
Селективное давление токсичного фактора и нарушения межвидовых отношений в экосистеме индицируют процессы формирования новых биологических сообществ, которые протекают в следующем направлении: уменьшается видовое разнообразие за счет исчезновения уязвимых к токсичному действию видов; происходит упрощение структуры как следствие исчезновения или сокращения ряда видов в сообществах, что в свою очередь неизбежно приводит к упрощению трофических связей; резко возрастает доминантность эврибионтных форм, многие из которых имеют обширные ареалы или являются космополитами.
Современный период характеризуется комплексным загрязнением — наряду с появлением токсичных свойств среды обитания увеличивается содержание биогенных элементов. Высокая доля их биодоступных форм (фосфатов и нитратов) в экосистеме свидетельствует, что они не утилизируется в трофической структуре, несмотря на возрастание биомассы фитопланктона. Возрастание биомассы может быть обусловлено не только «энергетическими субсидиями» в виде притока биогенных элементов, но и стимулироваться механизмами упорядочения энергии за счет преимущественного развития мелких форм, обеспечивающих ускоренный оборот биомассы в экосистеме, подвергнутой токсичному загрязнению.
После прекращения или снижения действия токсичного агента экосистема продолжает модифицироваться. Основные признаки, характеризующие траекторию экосистемы после прекращения или снижения загрязнения: видовая структура сообществ, отличная от природной:
1) При мало изменившемся содержании биогенных элементов содер-жание их биодоступных форм резко снижается как следствие их утилизации в сложившейся новой структуре;
2) Биомасса первичных продуцентов поддерживается на более высоком уровне по сравнению с природными обитателями-показателями;
3) Несмотря на реколонизацию участков озер природными обитателями водоема, исчезнувшими в период интенсивного загрязнения, ряд видов, характерных для природного состояния, не восстанавливается или встречается в единичных экземплярах;
4) Изменяется доминантность в сообществах; виды, единичные в при-родном состоянии, развиваются в высокой численности;
5) Появляются интродуценты;
6) Возрастает роль видов верхних трофических уровней и хищных форм.
Приводимые признаки новой модификации экосистемы после прекращения токсичного загрязнения согласуются с закономерностями сукцессий экосистем (по Одуму): от развивающейся — к более зрелой модификации. Поэтому термин «восстановление экосистем» в данном случае нельзя отождествлять с понятием возвращения к природному состоянию. Достижение природного состояния после высокого антропогенного стресса будет достаточно длительным процессом и, возможно, недостижимым, поскольку водная экосистема с новыми свойствами приобретает стабильность.
Методология экологического нормирования исходит из необходимости раскрытия причинно — следственных связей между уровнем комплексного загрязнения различных систем и ответными реакциями биологических систем с учетом природных особенностей и продолжительности действия тех или иных токсичных агентов. Мультивариантная система критериев оценки качества объектов основывается на понимании закономерностей антропогенной изменчивости экосистем и их структурных элементов.
Несмотря на сложность и многообразие возможных частных решений по ключевым вопросам оценок качества продукций и нормирования загрязнения, предложенная в методичке методология критических антропогенных нагрузок достаточно универсальна и в ее рамках можно найти ответ на вопрос — до какой степени необходимо снизить уровень загрязненности объектов окружающей среды, чтобы их качество было благоприятно для всех обитателей в особенности человека. При выработке понятия допустимой антропогенной нагрузки на конкретные природные объекты целесообразно задаться условиями «сохранения среды». Бесспорно, требования к различным природным объектам; заповедным, питьевого назначения или урбанизированным, могут существенно различаться.
Человечество имеет три выбора относительно восстановления разрушенных экосистем:
1) Продолжение разрушающего воздействия в современных масштабах;
2) Полное прекращение и восстановление до природного состояния;
3) Поддержание экосистем и восстановление их функций, полезных для человека, т. е. высокое качество объектов окружающей среды, биоразнообразие и продуктивность.
Значение траектории сукцессий сообществ и экосистем в условиях увеличения и снижения антропогенного загрязнения позволят предсказать будущие изменения и правильно направить практические усилия на ограничение и сведения до практического минимума антропогенных воздействий и ускорение процессов восстановления экосистем.
Литература:
1. Мартин Р. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов./ М.; Мир. 1993. С. 25–43.
2. Геворгян А. М., Рузметов У. У.,.Яхшиева З. З. Некоторые аспекты амперометрии при определении благородных и токсичных металлов различными тиолами./ Учебно-методическая разработка. Ташкент-2013.С. 107.
3. Моисеенко Т. И. Антропогенная изменчивость пресноводных экосистем и критерии оценки качества вод.// Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. СПб.:Гидромет, 2003. Т. 19. С. 72–94.
