v Введение
Усиливающееся антропогенное воздействие на природные
водоемы в значительной степени нарушает естественные
гидробиоценозы. Анализируя процессы антропогенного влияния на
биосферу Земли, академик Н.Н. Моисеев приходит к выводу: "Если
человек не найдет нужного ключа к своим взаимоотношениям с
природой, то он обречен на погибель, каким бы ни были политика и
•^ государственное устройство", поскольку "человечество обрело
\ возможность мирного самоуничтожения", имея в виду антропогенное
воздействие на биосферу земли. По заключению Н.Н. Моисеева
"Человек подошел к пределу, который нельзя переступить ни при
* каких обстоятельствах. Дело в том, что антропогенная нагрузка на , биосферу стремительно возрастает и она близка к критической. Биота
может потерять стабильность. В новом состоянии биосферы человеку
может не найтись места" (Моисеев, 1999).
Функционирование природных биологических систем с каждым
днем все больше и больше зависит от деятельности человека. В |» последнее время все труднее найти реки или водоемы, естественный
f режим которых так или иначе не изменился. "Даже в том случае, если
* промышленные предприятия будут свято выполнять все меры охраны среды, развивающееся общество будет оказывать на природу прогрессирующее воздействие" (Шварц, 1973).
Контроль загрязнения рек регулярно проводится подразделениями Природоохранных органов, службами санитарного надзора, управлениями Главрыбвода. Данный контроль позволяет систематически оценивать содержание в воде 45-50 основных
токсикантов и сравнивать полученные данные с соответствующими показателями предельно допустимых концентраций (ПДК), но этой работы не всегда достаточно для оценки комплексного, суммарного воздействия токсикантов на гидробионтов. Следовательно, комплексное воздействие загрязнителей не всегда может быть учтено стандартными методами контроля. По данным Института системного анализа Российской академии наук многие нетоксичные или v малотоксичные компоненты, попадающие в реки со сточными водами,
i вступая во взаимодействие между собой, образуют столь
I
высокотоксичные соединения, что негативное влияние на природу
возрастает многократно, а сами токсиканты остаются вне контроля.
** В работе выдвинуто предположение, что комплексное
антропогенное воздействие города на реку пропорционально численности городского населения и уровню развития промышленного производства, что в свою очередь определяет объемы промышленных и бытовых стоков. Несомненно, что на объем и состав токсикантов в сточных водах оказывают влияние конкретные виды
' производств (машиностроение, легкая, химическая промышленность и
ч
f т.д.), но проанализировать данные по этим быстро меняющимся видам
* производств и технологическим процессам не представляется
возможным. Поэтому в данной работе рассматривается возможность оценки комплексного антропогенного воздействия города на водоемы. Актуальность темы диссертации определяется необходимостью расширения набора методов мониторинга и разработки дополнительных способов контроля за антропогенным воздействием на водоемы, что предусмотрено "Концепцией перехода РФ к
устойчивому развитию" (Утверждена Указом Президента РФ от 01.04.96г№440).
Цели и задачи исследования. Цель работы: оценить воздействие городов с определенной численностью населения и уровнем развития промышленности на морфологические изменения у гидробионтов Москва - реки, определена необходимостью расширения набора методов мониторинга за антропогенным воздействием на природу, в
v соответствии с Концепцией перехода РФ к устойчивому развитию.
^ В работе были поставлены следующие задачи:
- Проанализировать и изучить существующие методы оценки влияния городов на гидробионтов реки;
- провести контрольные обловы рыбы и исследовать состояние ихтиофауны выше и ниже черты городов, с разным количеством населения;
- провести отборы проб бентосных организмов в тех же точках и исследовать их, основные показатели;
- провести сравнительный анализ полученных результатов;
* - выявить отклонения в морфологическом строении рыб и
** моллюсков;
- предложить методику мониторинга комплексного воздействия городов на реки.
Научная новизна и теоретическая значимость работы.
- Проведен сравнительный анализ видового состава ихтиофауны выше и ниже черты исследуемых городов, а так же проанализированы различия в размерно-возрастных
t характеристиках рыб и моллюсков до и после черты
соответствующих городов.
- Выявлено наличие зависимости между численностью населения, как совокупного антропогенного показателя, а также, уровнем развития промышленного производства и различиями в видовом составе и морфологическом строении гидробионтов.
Практическая значимость работы. На основе результатов * проведенного исследования появляется возможность:
Ij - разработать практические рекомендации для
прогнозирования размерного и видового состава уловов рыбы на разных участках реки при изменении численности городского населения;
- прогнозировать изменения в составе ихтиофауны в районах проектируемых и строящихся объектов промышленности и коммунального хозяйства;
- осуществлять мониторинг комплексного антропогенного воздействия городов на речную систему по данным о
\) состоянии гидробионтов;
4 — определять участки реки, наиболее благоприятные для
садкового товарного рыбоводства.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Межрегиональной конференции "Морфологические и физиологические особенности гидробионтов" (Москва, ВНИРО, 2001); Международной конференции "Новые технологии в защите биоразнообразия в водных экосистемах" (Москва, МГУ, 2002); v научно-практической конференции "Стратегия развития пищевой
промышленности" (Москва, МГТА, 2003), на научных коллоквиумах кафедры "Биоэкологии и ихтиологии" МГТА (2001 - 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
(ft
Глава 1. Влияние антропогенных факторов на биоценозы рек
(Литературный обзор)
Гидрологические характеристики Москва-реки
Река Москва относится к рекам со смешанным питанием и весенним стоком (Зайков и др., 1975). Реки указанного типа распространены на большей части территории России. Поэтому можно предполагать, что Москва-река может рассматриваться как
$ своего рода модельный водоем, где общие закономерности
биологических процессов и изменения ихтиофауны проявляются
*~ наиболее ярко.
Река Москва является левым притоком р. Оки, площадь ее
с- водосборного бассейна составляет 17640 км, длина - 502 км. Исток
реки Москвы находится у границы Московской и Смоленской областей. Река Москва принимает около 600 притоков, из которых наиболее значительные: Руза (145 км), Пахра (135 км) и Истра (113 км). Поверхностный сток (дождевые и талые воды, на долю которых приходится 12 % и 61 % соответственно) составляют основу питания
А реки. На долю грунтовых вод (результат дренирования рекой
, подземных водоносных горизонтов) приходится 27 %. Основной
J объем стока (в среднем около 65 %) как на реке Москва, так и на ее
притоках, приходится на весенний период. Замерзает Москва - река в ноябре-декабре, вскрывается в марте-апреле. Период бурного половодья продолжается около трех недель. Летом уровень воды довольно устойчив. С созданием системы Москворецких водохранилищ колебания уровня реки, ранее имевшие место в течение года, сгладились. Для верхнего течения Москвы-реки характерно
> чередование перекатов с быстрым течением (до 1,5 м/с), плесов с
10
л.
замедленным течением (до 0,2 м/с) и наличие омутов с почти стоячей водой. Скорость течения по стрежню реки составляет в среднем 0,5 м/с. Общая жесткость воды Москвы реки составляет 12 °. Температура воды на разных участках Москвы-реки может заметно варьироваться. В конце июля температура на стрежне в отдельные годы может достигать 25 °С, а в мелководных заводях - 28 °С. В местах выходов ключей и родников средние летние значения температуры \. существенно ниже, а в зимние месяцы выше, чем на стрежне
:. (Шатуновский и др., 1988).
По данным ФГУ «Мосрыбвод» в 2000 г. с учетом условно-чистых вод (около 550 млн. м3/год) в р. Москву и ее притоки было сброшено
и 3200 млн. м3 сточных вод (Отчет... ФГУ «Мосрыбвод», 2000).
Основной объем сбросов (около 70 %) приходится на г. Москву, около 3 % на верховья реки Москвы (до г. Москвы), остальная часть на
#
участок реки ниже г. Москвы до устья. Соотношение общего расхода воды к объему сточных вод до г. Москвы составляло 12:1, ниже г. Москвы - 1:2, к устью - не превышало 1:1.
Ш Классификация и характеристика сточных вод и их
^ КОМПОНЕНТОВ
Живые организмы, находясь под влиянием многочисленных факторов внешней среды, выработали в процессе эволюции разнообразные механизмы приспособления, и очень нелегко бывает определить ту грань, за которой физиологические реакции приспособления переходят в патологические процессы (Метелев и др., 1971; Богомол, 2002а). В водной токсикологии традиционно принимают норму и патологию не в физиологическом аспекте, а в
11
биологическом. Критерием биологической нормы может служить сохранность вида гидробионта и качество его потомства (Строганов, 1971).
В водной токсикологии существует несколько направлений исследований, в частности:
- диагностика отравления рыб и определение степени токсичности водной среды, разработка комплексных методов диагностики отравления гидробионтов. Существует большое количество разнообразных методов диагностики отравления рыб, в частности, используются анамнестические сведения, клинические, патологоанатомические, гистологические, гематологические, физиологические, биохимические, биофизические методы исследований, методы кислотных эритрограмм, а также метод условных рефлексов. Особенно важна в этом аспекте разработка экспресс-методов диагностики отравления рыб, изучение и подбор индикаторных организмов для различных токсикантов, использование органолептических исследований (Метелев и др., 1971).
— Определение механизма действия токсических веществ и метаболизма токсикантов в организме гидробионтов. Для этого на организменном уровне необходимо определить: а) количественное и качественное изменение обмена веществ; б) узловые процессы, нарушающие регуляцию; в) связь нарушений обмена веществ с размножением, плодовитостью и качеством потомства; г) приспособление, привыкание организма к токсикантам и степень их накопления; д) метаболизм токсиканта
12
в организме гидробионта; е) особенности действия на рыб сточных вод сложного состава (синергизм и антагонизм токсикантов); ж) влияние неспецифических факторов водной среды на устойчивость рыб к токсикантам промышленных сточных вод; з) хроническое действие малых концентраций вредных веществ и отдаленные последствия кратковременного контакта с высокотоксичными водами. На популяционном к (биоценотическом) уровне необходимо изучить: а) изменения,
претерпеваемые популяциями; б) изменение биоценотических взаимоотношений; в) изменение фауны и флоры водоема (Строганов, 1971).
В настоящее время нет единой, универсальной классификации сточных вод и их компонентов. Сброс разнообразнейших токсических веществ в водоемы приводит к необходимости разрабатывать классификацию токсикозов у различных гидробионтов с целью определения природы токсикантов по характеру токсикоза.
Сточные воды по действию их на водоем различаются на
содержащие органические и неорганические загрязнители. К числу
./ органических загрязнителей в сточных водах относятся, первичные
" продукты животного происхождения; первичные продукты
растительного происхождения, продукты термической переработки
твердого топлива (каменного угля, торфа, древесины), нефть,
нефтепродукты и их компоненты, органические кислоты, кетоны и
спирты, фенолы, органические красители и их компоненты;
поверхностно-активные вещества (в том числе моющие средства),
пестициды (в том числе инсектициды, гербициды, фунгициды,
13
нематоциды, зооциды, репелленты, хемостерилизаторы, стимуляторы и ингибиторы роста растений, дефолианты и др.). К числу неорганических загрязнителей относятся сероводород и сернистые соединения, неорганические кислоты и щелочи, соли натрия, кальция, магния, аммония (хлориды, сульфаты, нитраты), взвешенные минеральные вещества (Фомин, 2000).
Каждая из этих групп, в свою очередь, подразделяется на загрязнители со специфическими токсическими свойствами и без специфических токсических свойств (Веселов, 1971).
Загрязнители, не обладающие специфическими токсическими свойствами характеризуются большим содержанием нестойких органических веществ. Как правило, сами по себе подобные загрязнители нетоксичны (крахмал, различные сахара). Но в результате развития гнилостных процессов и брожения в водоеме скапливаются ядовитые газы: сероводород, метан, а также уксусная и молочная кислоты. При этом резко падает содержание кислорода в водоеме, что приводит к заморам.
По характеру токсического действия на гидробионтов токсиканты подразделяются на следующие группы: нервно-паралитические, гемолитические, протоплазматические, энзиматические, локального действия, наркотического действия, комбинированного действия (Метелев и др., 1971).
Наконец, все токсические вещества следует подразделить на несколько групп в зависимости от степени их токсичности. Например, токсиканты, вызывающие в острых опытах гибель 50 % гидробионтов принято подразделять на следующие группы (Chander, Marcing, 1979):
14
Степень токсичности Концентрация
высокотоксичные 1 мг/л
сильнотоксичные 1-10 мг/л
умереннотоксичные 10-100 мг/л
слаботоксичные 100- 1000 мг/л
очень слаботоксичные свыше 1000 мг/л
СИМПТОМЫ ОТРАВЛЕНИЯ РЫБ
Детальная характеристика симптомов отравления рыб, изучение поведения рыб в растворах, содержащих те или иные компоненты сточных вод в сублетальных и токсических дозах, важны для создания клинической картины отравления. На основании ее можно определить природу токсиканта, что, в свою очередь, позволяет определить причину гибели рыб в естественных водоемах. Условно различают токсиканты с локальным и резорбтивным действием, т.к. с изменением концентрации токсиканта может меняться как степень токсического эффекта, так и характер повреждения различных тканей, органов и систем организма (Метелев и др., 1971).
Токсиканты локального действия разрушают респираторный эпителий жабр, вплоть до полного отделения эпителия от нитей жаберных пластинок, иногда вызывают кровотечение из жабр, а также изменения со стороны пигментных клеток-хроматофоров. Кожные покровы и жабры под действием этих токсикантов обильно покрываются слизью, препятствующей газообмену. В результате всех этих изменений в организме рыб возникает недостаток кислорода, накопление углекислоты. При этом у рыб увеличивается частота и
15
глубина дыхания, но, несмотря на это, прогрессирующее поражение респираторного эпителия вызывает удушье или асфиксию. Асфиксия, обусловленная прекращением доступа кислорода к жабрам вследствие поражения последних, может развиваться при нормальном уровне гемоглобина (токсиканты локального действия: соли тяжелых металлов, кислоты и щелочи), при нарушении условий транспортировки кислорода гемоглобином вследствие разрушения последнего (гемолитические токсиканты: цианиды, аммиак и соли аммония, свинец, селен и др.) либо при нарушении окислительных процессов в тканях и угнетении ферментных систем, в частности, дыхательных ферментов (цианиды, азид натрия, гидроксиламин, сульфат натрия, сероводород, меркаптаны и др.).
Симптомы отравления токсикантами резорбтивного действия проявляются только при определенной концентрации их в организме. Подобные токсиканты, проникнув в организм, действуют в зависимости от их природы либо на нервную систему (большинство органических соединений: фенолы, ксилолы, хиноны, нитросоединения, ациклические и гетероциклические соединения, алкалоиды, нефть и нефтепродукты, смолы и смоляные кислоты, хлорорганические и фосфорорганические соединения и др.), либо гемолитически (аммиак и соли аммония, свинец, цианиды, сапонины, селен, некоторые фосфорорганические соединения, диурон и др.), протоплазматически (фтор, цианиды, мочевина, меркаптаны и др.), изменяя физико-химическую структуру протоплазмы. Другая группа резорбтивных токсикантов относится к энзиматическим (ферментативным) токсикантам (фосфорорганические соединения,
16
фториды, цианиды, азид натрия, сульфат натрия, гидроксиламин, некоторые детергенты, меркаптаны), влияющим на ферментативные системы. Так, фосфорорганические соединения (хлорофос, метафос, метилнитрофос, рогор и др.) угнетают активность ацетилхолинэстеразы, в результате чего она фосфорилируется. В организме накапливается ацетилхолин, приводя к блокировке холинэргических систем. Токсиканты резорбтивного действия, симптомокомплекс которых проявляется в преимущественном действии на нервную систему, вызывают у рыб быструю потерю рефлекса равновесия, спиралеобразное плавание, плавание толчками, беспорядочными бросками, стремление выпрыгнуть из воды. Дыхание у рыб вначале глубокое и учащенное, по мере развития отравления становится аритмичным и поверхностным.
Детальная характеристика симптомов отравления, а также другие клинические проявления отравлений, патологоанатомические и гистологические исследования позволяют диагностировать и дифференцировать отравления рыб в естественных водоемах от других заболеваний.
Обратимость отравления, адаптация рыб к токсикантам, кумуляция
Обратимость отравления зависит от природы и химических свойств токсиканта, времени воздействия, концентрации, степени поражения, видовых особенностей рыб и других факторов. Например, у рыб при отравлении ионами меди наблюдается обратимость отравления даже в тех случаях, когда рыбу переносили в свежую воду в фазе "опрокидывания" (Строганов, 1971, 1976). Отмечена
17
обратимость отравления рыб цианидами и сульфидами, высокая обратимость фенольной интоксикации (Лукьяненко, 1983), высокая обратимость отравления рыб (карпа) фосфорорганическими инсектицидами (фосфамидом и метилнитрофосом) (Метелев и др., 1971). В то же время, пересадка рыб в чистую воду после пребывания в токсических растворах солей тяжелых металлов (кадмия, ртути, никеля, кобальта), концентрированных кислот и щелочей не спасала их от гибели, так как в этих случаях наблюдались необратимые поражения жаберного эпителия. Говоря об обратимости отравления рыб важно отметить следующее обстоятельство: у рыб после воздействия токсикантов, особенно локального характера, понижается сопротивляемость организма к различного рода заболеваниям, часто рыба погибает от сапролегниоза и других болезней (Liebmann, 1960; Лукьяненко, 1983).
Другим явлением, характеризующим повышенную устойчивость рыб к токсикантам, является адаптация - способность рыб привыкать к определенным токсикантам. Адаптация зависит от химической природы и концентрации токсиканта: более выражена адаптация к I' токсикантам органической природы и почти отсутствует к
неорганическим (Paui, 1952; Eichler, 1946). Установлено, что феномен адаптации рыб к токсикантам носит временный характер и выражается в повышении устойчивости организма рыб к токсиканту, сменяющейся фазой истощения вследствие нарушения адаптационных механизмов (Лукьяненко, 1983). На ранних этапах онтогенеза адаптация у рыб также носит временный характер.
Важным аспектом действия токсикантов является их кумуляция. |
