Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

10.3.3. Биоиндикация загрязнения почвы

Загрязнение почвы вызывается различными по масштабу и территориальному распространению поллютантами, влияющими на почву, почвенную биоту, совокупное состояние почвенной экосистемы. Для индикации этих изменений используется широкий набор биометодов.

Загрязнение почвы может повлиять на ее структуру, на порозность и плотность горизонтов, что может привести к уменьшению аэрируемости и дренажа. Это приводит к затруднению прорастания семян и проникновения корней в почву, замедлению роста корней и побегов. Активность почвенных ценозов, численность организмов, разлагающих органические вещества, снижаются.

Всвязи с неодинаковыми физико-химическими характеристиками почв, формами нахождения загрязнения в почве при одной и той же интенсивности и продолжительности действия химического фактора его воздействие на почвенную биоту может быть различным. Между концентрацией и дозой химического фактора и его влиянием на биоценоз не всегда существует прямая зависимость.

Действие на почву диоксида серы проявляется прежде всего в подкислении почвы, степень которого зависит от интенсивности загрязнения. При этом решающее значение имеют буферные свойства почвы. В качестве биоиндикаторов

вэтом случае могут выступать растения, наиболее чувствительные к снижению рН. Кроме того, снижение pH приводит к повышению подвижности, вымыванию и дефициту важных минеральных веществ, прежде всего Ca2+, Mg2+, K+, повышает растворимость ионов А13+, проявляющих токсические свойства при рН < 4, что отражается на растениях-биоиндикаторах.

Вслабозабуференных кислых почвах к изменению рН до нейтральных и основных значений приводят пылевые известковые выбросы. При этом прежде всего страдают фитоценозы и почвенные организмы, разлагающие органические вещества. Отрицательное влияние загрязнения почвы известковой пылью усугубляется содержанием тяжелых металлов. Экологическое воздействие тяжелых металлов на почвы можно тестировать по активности ферментов первичного обмена у растений, выживаемости, росту корней и побегов саженцев деревьев или травянистых растений, наличию некрозов листьев и хвои. Можно использовать в качестве тест-систем также почвенные организмы, в частности, определяя изменения деструкционной активности биоценозов.

Ущерб, наносимый солями щелочных и щелочноземельных металлов (Na+, C1–), прежде всего сказывается на деревьях, растущих вдоль автомобильных дорог. Особо солечувствительна и страдает липа мелколистная (Tilia cordata). У долгоживущих растений существует тесная взаимосвязь между специфическим для каждого органа и тканей содержанием поступивших ионов солей (Nа+, C1–) и степенью повреждения. Причиной ущерба наряду с идущим поступлением солей может быть и их накопление в предшествующие годы.

Ранняя диагностика степени повреждения может быть проведена по содержанию солей в коре деревьев. В частности, тяжелое поражение липы наступает при содержании C1– > 7,5 мг-экв./л и Na+ > 5,0 мг-экв./л. Ущерб от длительного воздействия солей оценивают путем измерения годичных колец.

Для оперативности оценки влияния солей могут использоваться в качестве тест-системы травянистые растения при определении активности их прорастания и развития (на чашках Петри). Для этой цели подходят семена соответствующих видов (например, пастбищного салата Lolium perenne, кресссалата Lepidium sativum), иногда солеустойчивых (бескильницы расставленной Puccinellia distans). При повышении концентрации солей в почвенном растворе замедляется прорастание семян и снижается их всхожесть.

Загрязнение почвы агрохимикатами является проблемой для многих стран. Биоиндикация загрязнения почвы гербицидами проводится в опытах с высшими растениями и микроорганизмами с учетом стойкости гербицидов, возможности образования их связанных остатков; при этом оценивается влияние гербицидов и на культурные растения, и на уничтожаемые организмы (сорняки), а также на консументов и деструкторов, взаимодействующих с растениями в данной экосистеме. Стойкость гербицидов можно определить либо путем предварительной экстракции их из почвы, либо при непосредственном внесении гербицидов или загрязненной гербицидами почвы по сравнению со стандартными субстратами, на которых проводят выращивание тест-растений. Такие методы позволяют оценить воздействие на почвенные организмы и других средств защиты растений (фунгицидов, инсектицидов и др.) и оценить влияние комбинированного применения средств защиты растений.

Для проверки загрязнений в окрестностях подземных трубопроводов, обусловленных утечкой природного газа, нефти и нефтепродуктов, в качестве чувствительных биоиндикаторов пригодны саженцы тополей. Природный газ вызывает нарушения роста подземных органов растений с последующим развитием хлороза, что, видимо, обусловлено недостатком кислорода в почве при таких утечках.

При загрязнении почвы радионуклидами аккумулятивными биоиндикаторами являются лишайники, накапливающие большие количества радиоактивных веществ.

Хорошие индикаторы нарушения почвенных экосистем – животный мир почвы. При этом, как правило, исследуются почвенная фауна, ее состав и распределение экологических групп или жизненных форм. Так, жужелицы видов Harpalus latus и Pterostichus strenus практически не встречаются в сильнонарушенных экосистемах. Жуки-галофилы Laccobius decorum, Heterocerus flexuosus,

Dyschirius similis являются индикаторами солевого режима. Представители жесткокрылых рр. Belopus, Blendius свидетельствуют о солонцовых и солончаковых почвенных комплексах. Наземные мокрицы (р. Armadillidium), многоножки (рр. Sarmatiulus, Pachyiulus) и некоторые брюхоногие моллюски (р. Buliminus) наиболее приспособлены к известкованным почвам. Хорошими индикаторами кислотности почвы являются щелкуны. Так, на кислых почвах преобладают

Corymbites tesselatus; нейтральных – Agriotes obscurus, A. lineatus; слабоизвестковых – Limonius ferrugineus. Личинки пластинчатых жуков (р. Phylla) являются хорошими индикаторами легких песчаных почв. Однако животное население почвы менее подвержено антропогенному воздействию, чем почвенные сапрофаги. Наиболее эффективными для биоиндикации почвенных экосистем являются хищные насекомые, сапрофаги и микроорганизмы, которые тесно связаны

срастительным покровом почвы через пищевые цепи. При оценке состояния почвенных экосистем имеют большое значение и количественные показатели плотности популяций, и соотношения разных групп почвенных организмов.

Вкачестве показателей состояния почвенной микробной системы используются данные о количестве бактерий и грибов при учете их методами микроскопии и посева, показатели расписания (скорости прорастания) роста колоний бактерий (соотношение быстро и медленно растущих), радиальная скорость роста колоний грибов, функциональная характеристика сообществ с помощью метода мультисубстратного тестирования.

Метод мультисубстратного тестирования основан на многомерном статистическом анализе спектров потребления разнообразных субстратов, например углеводных, природным микробным сообществом. Интерпретация полученных результатов базируется на классическом описании процесса сукцессии. Согласно классическим представлениям, после нарушений устойчивая система стремится компенсировать произошедшие изменения. В развитии сообщества проявляются тенденции, направленные на достижение состояния климакса. Ситуации, когда сообщество микроорганизмов в пространственно-временных рамках эксперимента не восстанавливается, рассматриваются как черта предельно-допустимого воздействия.

На рис. 10.3 приведен пример процедуры биотестирования с группой тестметодов для определения общей токсичности (экотоксичности) почвы при проведении ремедиационных мероприятий. В этом биотестировании образцы почв оцениваются на острую токсичность с использованием Microtox® люминесцентного теста на основе бактерии Vibrio fischeri, теста с рачками Daphnia magna и Thamnocephalus platyurus, на хроническую токсичность на основе одноклеточной водоросли Pseudokirchneriella subcapitata, а также на генотоксичность (Mutatox®- тест на основе бактерии Vibrio fischeri). При этом проводятся биоизмерения и

сводными почвенными вытяжками, почвенными экстрактами органическими растворителями или буферными растворами, что позволяет, по возможности, учесть все фракции поллютантов, находящихся в почве. При таком измерении тестирование становится дешевле и быстрее.

ную токсичность, охарактеризовать опасность, обусловленную растворимым веществом-загрязнителем, и опасность, обусловленную менее растворимым или почвенно связанным веществом, и может быть использовано для: 1) идентификации опасности; 2) классификации почв по опасности и качественного картирования загрязненных участков (локализации более загрязненных участков); 3) проведения мониторинга и наблюдения за процессом очистки почвы; 4) контроля реабилитированных участков.

Например, если токсичны почвенные вытяжки, то необходима дополнительная очистка загрязненной почвы. Если токсичны лишь определенные фракции твердого почвенного вещества, то почва может применяться в ограниченных целях. Данные комплексного тестирования используются для оценки риска и контроля ремедиационных работ (см. разд. 11.3.3).

Рис. 10.3. Процедура определения экотоксичности почвы (по A. Bispo et al., 1998)

Другой вариант комплексного биотестирования предусматривает:

1)Определение численности микроорганизмов посевом образцов на питательные среды и прямым микроскопическим учетом непосредственно в природных образцах. Минимальное расхождение в полученных результатах, как правило, характеризует «молодую» систему, в которой преобладают r-стратеги, а максимальное – «зрелую» систему с большим числом K-стратегов.

2)Определение ферментативной активности. Активность каталазы, протеазы, уреазы может рассматриваться как показатель типа почвы и иметь прямую связь с урожаем сельскохозяйственных культур.

3)Определение содержания условно-патогенных групп микроорганизмов – сальмонелл, энтеробактерий (E. coli) и др.

4)Измерение дыхания почвенного микробоценоза.

5)Проведение фитотестирования по стандартной методике с проращиванием семян растений с определением всхожести, длины корней и т. п.

6)Другие методы биотестирования в зависимости от целей и объекта тестирования.

Таким образом, биоиндикация и биомониторинг являются составной частью экологического мониторинга, исследований окружающей среды.

Применение биологических систем в качестве индикаторов дает более полную и объективную информацию о неблагоприятных воздействиях загрязнений, антропогенных и природных факторах. Эти методы охватывают различные слои биосферы. Они являются наиболее информативными и перспективными. Использование биоиндикаторов позволяет определить изменения в организмах и экосистемах на очень ранних стадиях, когда их еще нельзя выявить другими методами. Это дает возможность предвидеть нарушения экосистем и вовремя принимать меры. При ремедиации и рекультивации загрязненных и нарушенных природных сред метод биоиндикации может использоваться при контроле за ходом очистки и восстановления плодородия почв, при оценке эффективности принятых мер.

Преимущества методов биомониторинга и биотестирования по сравнению с обычными аналитическими процедурами – часто меньшие затратность и время анализа, простота лабораторного оборудования, интегральная оценка воздействия неблагоприятных факторов на организмы и биоту. Однако эти методы часто трудно стандартизировать, и их результаты плохо воспроизводятся при определении биотоксичности. Поэтому использование биотестов для оценки окружающей среды часто не признается экологическими и санитарно-гигиени- ческими службами контроля ввиду недостаточно высокой надежности и отсутствия устойчивой повторяемости.

Глава 11

ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ НОРМИРОВАНИЕ

11.1. Цели, задачи и основные принципы

Нормирование качества окружающей среды является важнейшим элементом природоохранной деятельности. Оно основано на установлении нормативов (показателей) предельно допустимых антропогенных воздействий на человека, биоту, экосистемы. Согласно Закону РФ об охране окружающей среды «… Производство и обращение потенциально опасных химических веществ, в том числе радиоактивных, иных веществ и микроорганизмов допускаются на территории Российской Федерации после проведения необходимых токсиколого-гигиени- ческих и токсикологических исследований этих веществ, установления порядка обращения с ними, природоохранных нормативов и государственной регистрации этих веществ в соответствии с законодательством Российской Федерации».

Действующие в настоящее время в разных странах природоохранные нормы и правила (ПНиП) не образуют единой системы. Среди многообразия ПНиП в России можно выделить три группы нормативно-технической документации (НТД).

1. Санитарно-гигиеническая НТД

Включает нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ (в воздухе рабочей зоны и в атмосферном воздухе населенных мест, в воде, почве, продуктах питания, кормах и др.), временно допустимые концентрации (ВДК) вредных веществ, о действии которых не накоплено достаточной информации, определенные расчетным путем и рекомендованные для использования сроком на 2–3 года, нормы и правила в области сельскохозяйственного производства, рыбного хозяйства, нормативы предельно допустимых уровней (ПДУ) воздействия радиации, шума, вибрации, магнитных полей, нормативы санитарных, защитных зон и т. п. Это наиболее разработанные ПНиП. Цель таких нормативов, санитарно-гигиенических регламентов – определить показатели качества окружающей среды, обеспечивающие сохранение здоровья человека. Эти нормативы и регламенты являются предметом деятельности токсикологического и гигиенического нормирования, основная задача которого – обоснование и разработка критериев и уровней безопасного воздействия факторов на организм человека. Их соблюдение должно полностью исключать развитие не только специфических профессиональных заболеваний, но и неспецифических вредных (опасных) воздействий, ставящих организм на грань между нормой и патологией.

В России разработаны и утверждены в соответствии с санитарными нормами ПДК нескольких сотен вредных веществ (см. разд. 1.1). Предельно допустимые концентрации для большинства веществ, принятые в России, более жесткие, чем в США и других странах. Нормативы ПДК вредных веществ отражают санитарно-гигиеническую оценку состояния окружающей природной среды, но не регулируют поведение источника вредного воздействия. Эту функцию выполняют нормативы второй группы.

2. Отраслевые нормативы воздействия на окружающую среду – это нормативы предельной удельной техногенной нагрузки с учетом специфики конкретного производства и региона. Эти нормативы устанавливают требования к источнику вредного воздействия, ограничивают его деятельность определенной пороговой величиной. Это прежде всего нормативы предельно допустимого выброса загрязняющих веществ в атмосферу, ПДВ (кг/сут) и предельно допустимого сброса загрязненной воды, ПДС (м3/сут, кг/сут). В данную категорию нормативов входят также природоохранные нормы и правила проектирования и строительства, технологические, строительные, градостроительные правила, содержащие экологические требования охраны окружающей природной среды.

ПДВ устанавливаются для каждого источника (предприятия, хозяйствующего субъекта) и вида примесей, загрязняющих атмосферу, исходя из условия непревышения максимально разовой приземной концентрации загрязнения (ПДКм.р., см. разд. 11.3.1) и среднегодовых выбросов (ПДВг), при этом учитываются выбросы вредных веществ от данного источника, от совокупности источников и рассеивание вредных веществ в атмосфере.

ПДС рассчитывается по существующим методикам для концентрации вредных веществ в расчетных створах (см. рис. 1.1) с учетом фоновой концентрации, разбавления, вклада других источников, перспектив развития региона (проектируемые источники) и устанавливаются для каждого источника загрязнения

икаждого вида примесей с учетом их комбинированного действия, ПДК веществ в местах водопользования (в зависимости от вида водопользования), ассимилирующей способности водного объекта, распределения массы сбрасываемых веществ между источниками загрязнений, природных особенностей территорий

иакваторий. Величина ПДС должна гарантировать достижение установленных норм качества воды при наихудших условиях для разбавления в водном объекте.

Величины ПДВ и ПДС вносятся в «Паспорт предприятия по охране окружающей среды». При условии соблюдения этих нормативов содержание любой примеси в воде, воздухе и почве должно удовлетворять требованиям санитарногигиенического нормирования.

При превышении ПДК загрязнений в воде и воздухе городов и других населенных пунктов и невозможности по объективным причинам предприятием достигнуть значения ПДВ и ПДС устанавливаются временно согласованные выбросы (ВСВ) и сбросы (ВСС) вредных веществ, поэтапное снижение этих показателей до значений, которые обеспечивают соблюдение ПДВ и ПДС. Снижение выбросов и сбросов достигается путем модернизации и внедрения более передовых технологий, соблюдения культуры производства и техники безопасности, замены сырья, топлива, материалов и т. д.

Нормативы ПДК не учитывают проблемы защиты экосистем, сохранения видового разнообразия и структуры биоценозов в условиях антропогенного воздействия, поэтому соблюдение ПДК не гарантирует сохранения качества природных экосистем. Так, при содержании тяжелых металлов в воде в концентрациях, не превышающих ПДК, возможно подавление процессов самоочищения водоемов. Наблюдалось «цветение» воды в водоемах при содержании фосфатов в воде в концентрациях в десять и более раз ниже требований ГОСТ' на питьевую воду (3,5 мг/л) и воды, используемой для рыбохозяйственных нужд. «Цветение» воды приводит к ее вторичному загрязнению и ухудшению качества по многим регламентируемым санитарно-гигиеническим показателям. С другой стороны, ассимиляционная емкость (см. ниже и раздел 11.5) многих природных систем к определенным загрязнениям значительно выше, чем регламентируется ПДК, и наоборот, выявлено, что растения более чувствительны к действию ряда поллютантов, чем почва и человек. Так, ПДКм.р. диоксида серы соответственно для человека и древесных пород определена как 0,5 мг/м3 и 0,03 мг/м3; ПДК метанола для человека – 0,01 мг/м3, а для древесных растений 0,1 мг/м3. Вредные вещества в одних и тех же концентрациях могут по-разному воздействовать на организмы в разных условиях, и поэтому ПДК вредных веществ для экосистем также могут различаться. Так, ПДК бензола в воздухе для растений – 0,1 мг/м3, а для почвы – 0,3 мг/м3.

На основании вышеизложенного очевидна необходимость разработки ПДК поллютантов с учетом не только санитарно-гигиенических показателей, но и эколого-токсикологических. Эту функцию должны выполнять экологические нормативы.

3. Экологические нормативы определяют допустимые антропогенные нагрузки, не нарушающие устойчивое функционирование экосистем и тем самым не оказывающие вредного воздействия на человека.

Если задачей токсикологических и санитарно-гигиенических исследований является защита человека от вредного воздействия токсичных веществ, то исследование вредных воздействий антропогенных факторов на природные среды, на живые системы и организмы разных уровней организации биосферы являются областью экотоксикологии.

Экотоксикология – междисциплинарное научное направление, развивающееся на стыке биологии, экологии, токсикологии, медицины, химии и других наук. Целью экотоксикологии является не защита индивидуального организма, а сохранение стабильности и основных функций экосистем, многообразия видов, т. е. сохранение установившегося в природе равновесия в пределах возможной саморегуляции экосистем, что в итоге обеспечивает безопасность существования человека и сохранение стабильности экосистем.

Важнейшими задачами экотоксикологии являются:

выявление степени вредного воздействия антропогенных факторов на экосистемы и механизмов их воздействия; выявление изменений видового состава и функций экосистем под воздействием антропогенных факторов;

экологическое нормирование техногенных факторов в природных средах;

разработка функциональной экотоксикологической модели вредного воздействия фактора на экосистемы для проведения активного и пассивного мониторинга;

разработка мероприятий по сохранению ненарушенных и ремедиации, восстановлению пострадавших экосистем.

Основной целью экологического нормирования является ограничение антропогенных воздействий рамками экологических возможностей экосистем, т. е. оптимизация взаимодействия человека и природы, рациональное сочетание хозяйственной деятельности человека с охраной природы, с использованием человеком возобновляемых природных ресурсов, обеспечение устойчивого развития.

Задача экологического нормирования – разработка и обоснование критериев и уровней безопасного воздействия антропогенных факторов на состояние экосистем. Критерием для установления экологических нормативов (экосистемного нормирования) являются комплексные показатели устойчивости экосистем:

сохранение продуктивности экосистемы; гибель отдельных организмов, особей в этом случае не является критичным признаком;

сохранение динамического и относительного постоянства и свойств, т. е. сохранение способности к гомеостазу;

сохранение видового разнообразия, сохранение генофонда, наиболее уязвимых звеньев трофической цепи. Этот показатель особенно значим, так как даже сравнительно небольшое загрязнение окружающей среды может изменить тонкий механизм конкурентных взаимоотношений и привести к исчезновению какого-либо вида или оказать отрицательное воздействие на специализированный вид с жесткими биотическими связями и не повлиять на другие малоспециализированные быстро эволюционирующие виды с гибким поведением. Данные показатели могут быть изучены только при популяционных исследованиях; сохранение естественного хода сукцессионных процессов.

Вотличие от санитарно-гигиенического нормирования, опирающегося на определение ПДК, экологическое нормирование опирается на непревышение предельно допустимых нагрузок (ПДН, или предельно допустимых экологических нагрузок, ПДЭН) на экосистемы. ПДН (ПДЭН) выражаются в величинах массы или объема загрязнения на единицу времени. В международной практике вместо термина ПДЭН используется термин «критическая нагрузка» или «норма нагрузки».

Характеристика экосистемы, важная для обоснования ПДН в отношении загрязнений, – ее ассимиляционная емкость, т. е. максимальное количество загрязнений, которое может за единицу времени поступить в экосистему, претерпеть те или иные превращения и быть обезврежено в результате самоочищения без нарушения ее нормального функционирования.

Вроссийской практике к настоящему времени известно лишь небольшое число примеров учета экологической нагрузки для растений суши и для сообществ водоемов. Поэтому при обосновании ПДН опираются в основном на существующую санитарно-гигиеническую НТД и отраслевые нормативы: ПДК для почвы, растений, санитарно-защитных зон (см. разд. 11.5).

Нормативы ПДК как государственные нормативы имеют большое сани- тарно-гигиеническое значение. Требования человека к качеству природной среды мало зависят от климатических и других региональных особенностей, следовательно, значение ПДК вредного фактора будет практически единым для человека, проживающего в разных регионах. Напротив, функционирование экосистем при одних и тех же нагрузках загрязнения существенно зависит от совокупности природных экологических факторов локального и регионального масштабов. Степень воздействия загрязнителя на экосистемы (значение экологических нормативов ПДН) может существенно меняться в зависимости от природных, региональных или локальных факторов, формирующих экосистему. Следовательно, экологические нормативы не могут быть едиными для экосистем разных почвенно-климатических зон и регионов. Экологические нормативы должны разрабатываться на локальном и региональном уровнях и обеспечивать экологическое равновесие в глобальном масштабе.

11.2.Методология санитарно-гигиенического нормирования

Методологической основой для разработки санитарно-гигиенических и сани- тарно-эпидемиологических нормативов (стандартов) являются исследования

иметоды медицинской и ветеринарной токсикологии.

Втоксикологии действие вредного вещества выражают в виде дозы – количество вредного вещества, отнесенное к массе тела (мг/кг), и в виде концентрации – количество вещества, отнесенное к единице объема или массы воздуха (мг/м3), воды (мг/л), или почвы (мг/г). Для обоснования гигиенических нормативов используют зависимости «концентрация – время – эффект», получаемые в экспериментальных исследованиях; дозу рассчитывают как произведение количества вредного вещества, поступающего в организм в единицу времени с воздухом, водой, пищей, при прямом контакте на экспозицию (время контакта).

При обосновании нормативов исходят из принципа пороговости воздействия, т. е. установления минимальной дозы вещества, при воздействии которой в организме возникают отрицательные последствия. Нормирование ведется по тому показателю, который оказывается наиболее чувствительным (лимитирующим). Например, вредное вещество может влиять на санитарные условия жизни в концентрациях, меньших, чем на организм человека – в этом случае при нормировании исходят из порога действия этого вещества на санитарные условия жизни. У токсикантов, способных к биоаккумуляции, пороговые уровни очень низки.

Исследования токсического действия загрязняющих веществ имеют целью установление допустимой максимальной недействующей концентрации (МНК, no observed effect concentration – NOEC) – подпороговой концентрации веществ по

санитарно-токсикологическому признаку вредности в экспериментах на лабораторных животных или путем прогнозирования величины максимальной недействующей концентрации с последующей экстраполяцией данных на человека.