ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ (ПРИНЦИПЫ ИЗУЧЕНИЯ И ОЦЕНКА ДЕЙСТВИЯ)

Гидробиология в своем практическом приложении призвана ре5 шать две основные проблемы:

1. Проблему использования (рациональной эксплуатации) био5 логических ресурсов водоемов всех типов. Эта проблема охватыва5 ет широкий круг вопросов, связанных с периодическим или эпизо5 дическим изъятием из водоемов некоторого количества полезной продукции в форме биомассы организмов, используемых для нужд человека. Данная проблема находится в ведении специального раз5 дела гидробиологии, часто называемого «продукционным».

2. Проблему обеспечения человека чистой (биологически полно5

ценной) питьевой водой. Эта проблема порождена повсеместным заг5 рязнением водоемов хозяйственными и промышленными отходами,

«производство» которых стремительно растет в связи с научно5тех5 нической революцией, преображающей лицо биосферы. Разработка биологических основ воспроизводства чистой воды находится в веде5 нии так называемой прикладной гидробиологии, которая распадается на два раздела – санитарную гидробиологию и водную токсикологию.

Ниже рассматриваются некоторые аспекты проблемы чистой воды в целом, которые представляются достаточно важными для выра5 ботки стратегии контроля состояния и оценкой качества вод. Учи5 тывая разнообразие существующих мнений по данному вопросу, я заранее готов признать дискуссионность ряда высказываемых ниже предпосылок и положений. Полагая излишним что5либо «опровер5 гать» и «обосновывать», просто излагаю свою точку зрения на эту, в общем5то, сложную и трудно решаемую проблему.

В широком значении слова санитарная гидробиология занимается

биологическими процессами формирования качества воды. В более узком – она изучает, как ликвидируются загрязнения в результате жизнедеятельности гидробионтов, образующих водные биоценозы. В еще более узком – санитарная гидробиология занимается биологи5 ческими процессами трансформации и деградации загрязнителей.

Важно обратить внимание на функциональный оттенок данных выше определений, который позволяет подчеркнуть, что санитар5 ную гидробиологию интересуют не загрязнители сами по себе, и даже не судьба отдельных гидробионтов, а влияние их жизнедея5 тельности на улучшение питьевых качеств воды. Это улучшение не обязательно должно быть связано с «деградацией» загрязнителей (обычно минерализации подвергаются органические вещества, дос5 тупные биологическому окислению). Оно может быть связано так5 же и с биоаккумуляцией загрязнителей, их выносом из биоценоза мигрирующими гидробионтами или захоронением в донных отло5

жениях, удалением некоторых загрязнителей высшей водной расти5 тельностью; наконец, это может быть вызвано и превращением не5 которых загрязнителей в биологически безвредные вещества.

В конечном счете, чтобы оценить интенсивность биологического

самоочищения водоемов, нам приходится опираться на ряд биоло5 гических тестов, определяющих биологическую полноценность воды (питьевые качества и пригодность для жизни гидробионтов).

Таким образом, все многообразие процессов жизнедеятельности населяющих водоемы организмов, приводящее в конечном итоге к улучшению (по выбранным показателям) качества воды, относится к компетенции санитарной гидробиологии. Изучение природы про5 цессов «детоксикации», их места в сложной трофодинамической структуре водных биоценозов определяет тесную связь этого разде5 ла гидробиологии с функциональной экологией, как системной дис5 циплиной, концентрирующей внимание на взаимодействии живой и неживой частей экосистемы.

Водная токсикология как один из разделов общей токсикологии изучает вредные (токсические) свойства веществ5загрязнителей, по5 падающих в водоемы. Токсикология как самостоятельная дисципли5 на исследует конкретные механизмы функциональных повреждений организмов и поэтому концентрирует внимание на состоянии объек5 та, т. е. на процессах внутри организма, оперируя такими понятиями, как «хорошо» или «плохо», применительно к организму. Поэтому теоретическим фундаментом токсикологии выступает экологическая физиология с мощным арсеналом методов и подходов физиологии, осмысливающей «зачем» и «почему важен» тот или иной процесс для функционирования и выживания организма. Фокусируя внимание на организме, токсикология в меньшей мере интересуется (или даже вовсе не интересуется) местом его в биоценозе, т. е. взаимодействием с другими организмами. Центральным вопросом токсикологии оста5 ется вопрос взаимоотношения организма не с абиотической средой вообще, а с отдельными факторами, оказывающими вредное воздей5 ствие на состояние организма и тем самым определяющими его судь5 бу в экосистеме. Таким образом, токсикология исследует организ5 менный уровень организации жизни с целью оценки относительной токсичности веществ и соединений и установления их реальной опас5 ности для выживания организмов в окружающей среде.

Поэтому непосредственным объектом исследования токсиколо5 гии оказывается потенциально вредное вещество. Изучение его вред5 ных свойств ставит вопрос – как измерить вредность, с помощью какого инструмента, по каким показателям? При такой физиологи5 ческой постановке основным инструментом измерения вредного воз5 действия оказывается сам организм, его реакции (поведение, выжи5 вание), вызванные контактом с веществом. Основным приемом полу5

чения информации о вредности тех или иных веществ становится эксперимент с дозированной мерой вредности на фоне «нормы», относительно которой фиксируют «отклонения», вызванные разны5 ми дозами загрязнителя.

Трудности связаны с некоторой неопределенностью регистрации

«отклика» организма на воздействие вредного вещества. Поэтому сбор экспериментальных данных по определению потенциальной вредности тех или иных веществ для организма – длительный и дорогостоящий процесс, особенно при изучении долговременных по5 следствий, часто наиболее существенных для выживания организ5 ма. Поэтому количество потенциально токсических веществ, как и количество объектов, которые можно глубоко проанализировать в условиях эксперимента, весьма ограничено. Эти соображения неми5 нуемо приводят к спасительной идее «белой лабораторной мыши», т. е. ограниченному выбору тестовых организмов, с помощью кото5 рых в стандартных контролируемых условиях эксперимента «изме5 ряется» вредность потенциально5токсических веществ. Токсикология, таким образом, с помощью тестовых организмов устанавливает в условиях эксперимента предельно допустимую нагрузку на орга5 низм (с помощью ПДК, ПДВ и т. д.) по ограниченному ряду показа5 телей физиологического состояния организмов (LD50… и т. д.).

Легко показать ограниченную ценность полученных таким обра5

зом выводов. С этой целью рассмотрим вербальную модель экосис5 темы, испытывающей воздействие загрязнителей (рис. 1).

Рис. 1. Модель экосистемы, испытывающей воздействие загрязнителей

В центре рисунка квадратом условно изображена некая экосисте5 ма, образованная совокупностью взаимодействующих друг с другом и с биотопом популяций, каждая из которых достаточно гетерогенна по внутренней структуре (половой, возрастной, функциональной) и выполняет определенную функцию в биоценозе.

В пределах такой экосистемы осуществляется трансформация энергии и веществ, т. е. она достаточно автономна, сложна и облада5 ет, как некая пространственно очерченная выраженность, рядом целостных характеристик, обусловленных ее составом (набор попу5 ляций), функционированием (взаимодействие популяций) и изме5 нением структуры (смена популяций, изменение их соотношения). К числу таких целостных характеристик отнесем показатели устой5 чивости (обусловленной гомеостазом), надежности (обусловленной зрелостью) и сложности (обусловленной видовым разнообразием и разнообразием отношением между популяциями). На «входе» в эко5 систему сплошными стрелками изображены так называемые потен5 циально вредные вещества, число которых точно неизвестно и характер воздействия которых на экосистему следует определить. Допускается, что для каждой конкретной экосистемы их число не5 велико, может быть примерно установлено, и физико5химическая природа специфична, т. е. набор загрязнителей различен.

Какая5то часть из m загрязнителей «взаимодействует» друг с дру5 гом в своем влиянии на экосистему, а это означает, что действие каж5 дого в отдельности существенно ослабляется или усиливается в зави5 симости от действия какого5либо другого или других загрязнителей.

Пунктирными стрелками на «выходе» из экосистемы изображе5 ны так называемые показатели состояния экосистемы, относящиеся как к биотической, так и к абиотической части. Учитывая, что чис5 ло зависимых переменных k может быть бесконечно большим (так как по условию k >> m), отберем по каким5либо правилам (допус5 кается, что они достаточно убедительно обоснованы) ограниченное число показателей, которые характеризуют, насколько «хорошо» или «плохо» экосистеме в результате воздействия m5загрязнителей. Такие показатели можно считать своего рода «показателями каче5 ства», если качество определяется набором желательных для него свойств экосистемы.

Таким образом, схема отражает множественность воздействия заг5 рязнителей на экосистему, состояние которой определяется множе5 ственностью откликов, отобранных произвольно в интересах человека (например, показатели качества питьевой воды) или в интересах са5 мой экосистемы (например, сохранение продуктивности, свойствен5 ной данному типу экосистемы). В этом случае задача формально сводится к изучению следующего вида зависимости:

(Ком. 1)

(y1, y2, …, yk ) = f(x1, x2, …, xm ).

(1)

Теперь можно вернуться к общепринятой методологии токсико5 логических экспериментов, чтобы иметь возможность оценить дос5 тоинства и недостатки получаемых с их помощью результатов. Методология однофакторных экспериментов (в условиях опыта по возможности стабилизируются все, кроме одной, из числа независи5 мых переменных) не позволяет в принципе получить оценку взаи5 модействия испытуемых на токсичность веществ. Поэтому уста5 новленные в таких опытах допустимые концентрации вредных ве5 ществ не могут быть перенесены на реальные ситуации, возникаю5 щие в природных системах.

Кроме того, в опытах с тестовыми культурами (обычно – это

водоросли, низшие раки, рыбы) результаты, полученные на крайне ограниченном числе объектов, при экстраполяции на природные си5 туации распространяются на большое число организмов (точнее, на все), которые, в отличие от лабораторных культур, живут в реаль5 ных биоценозах, вследствие чего «норма» их реакции может суще5 ственно отличаться от реакции «белых мышей».

И, наконец, выводы в токсикологических экспериментах делаются

по отношению к организмам, как элементам системы, а не к процес5 сам, происходящим в системах и характеризующим разнообразие и напряжение связей между элементами. Поэтому экстраполяция резуль5 татов токсикологических экспериментов на экосистему в действитель5 ности обоснована только острым желанием токсикологов преодолеть ситуацию, «когда экспериментатор хочет, а метод не может».

Действительно, когда ПДК, установленные в опыте с тестируе5

мыми организмами, «применяют» в гидробиологии к экосистемам разного типа (озера, водотоки, эстуарии и пр.), с разными особен5 ностями круговорота веществ (олиготрофные, эвтрофные), разной зрелости (относительно климакса) и т. д., то беспочвенность экстра5 поляций от поведения организма к поведению экосистемы становит5 ся очевидной. (Ком. 2)

Какую же информацию мы получаем в действительности при

постановке токсикологических экспериментов?

Используя в качестве «единицы измерения» отдельные реакции тестовых организмов на известную дозу какого5либо испытуемого на токсичность соединения или вещества, мы получаем информа5 цию о сравнительной токсичности веществ по выбранным показате5 лям и тем самым устанавливаем их потенциальную опасность для живых организмов. Однако действительную, истинную опасность для организмов, обитающих в условиях реальных экосистем, уста5 новить таким путем нельзя, так как в этом случае исходный экс5 периментальный материал должен относиться к процессам, осущест5 вляемым в экосистемах на надорганизменном уровне, т. е. на уровне взаимодействия особей соответствующих популяций.

Остается открытым вопрос о возможности получения таких све5 дений в условиях эксперимента, поскольку экспериментирование с экосистемами встречает чисто методические, моральные и матери5 альные трудности. Возникают ощутимые затруднения при выборе ограниченного числа показателей, характеризующих состояние эко5 систем. Не очень ясен вопрос о приоритетном ряде загрязнителей в связи с региональным характером применяемых мер контроля. На5 конец, вопросы о способах оценки состояния экосистем в связи с задачей сравнения их продуктивности, запаса прочности к вредно5 му воздействию, возможности эффективной эксплуатации все еще относятся к категории дискуссионных. Перечисленные трудности (в действительности их гораздо больше) необходимо преодолеть уже в ближайшее время, если мы хотим сохранить экологическое равно5 весие в биосфере между человеком и живой, но неразумной приро5 дой. Сложность проблемы предопределяет и разнообразие подходов, каждый из которых может иметь свои достоинства. Ниже излагают5 ся соображения относительно одного из возможных способов реше5 ния формализованной выше задачи в виде зависимости [2].

Материал взят из: Изменения в природных биологических системах — В. Д. Федоров