Воздействие на рыб солей тяжелых металлов

метки: Металл, Тяжелый, Водоем, Вещество, Ртуть, Организм, Сточный, Например

Проблема загрязнения среды в настоящее время приобрела глобальное значение. В водоемы планеты ежегодно сбрасывается около 700 км ³ загрязненных вод. Погибают наиболее чувствительные организмы, разрушаются сбалансированные сообщества, ограничивается хозяйственное и рекреационное использование водоемов. Полное прекращение антропогенного загрязнения среды нереально, поэтому следует применять разумные меры ограничения поступления в водоемы токсикантов и загрязнителей, применять эффективную очистку вод.

Другой важный загрязнитель водоёмов — кадмий. По химическим свойствам этот металл подобен цинку. Он может замещать последний в активных центрах металлсодержащих ферментов, приводя к резкому нарушению в функционировании ферментативных процессов.

Кадмий обычно проявляет меньшую токсичность по отношению к растениям в сравнении с метилртутью и сопоставим по токсичности со свинцом. При содержании кадмия ~ 0,2-1 мг/л замедляются фотосинтез и рост растений. Интересен следующий зафиксированный эффект: токсичность кадмия заметно снижается в присутствии некоторых количеств цинка, что еще раз подтверждает предположение о возможности конкуренции ионов этих металлов в организме за участие в ферментативном процессе.

Порог острой токсичности кадмия варьирует в пределах от 0,09 до 105 мкг/л для пресноводных рыб. Увеличение жесткости воды повышает степень защиты организма от отравления кадмием. Известны случаи сильного отравления людей кадмием, попавшим в организм по трофическим цепям (болезнь итай-итай).

Из организма кадмий выводится в течение длительного периода (около 30 лет).

В водных системах кадмий связывается с растворенными органическими веществами, особенно если в их структуре присутствует сульфгидрильные группы SH. Кадмий образует также комплексы с аминокислотами, полисахаридами, гуминовыми кислотами. Как и в случае со ртутью и другими тяжёлыми металлами адсорбция ионов кадмия донными осадками сильно зависит от кислотности среды. В нейтральных водных средах свободный ион кадмия практически нацело сорбируется частицами донных отложений.

Для контроля качества поверхностных вод созданы различные гидробиологические службы наблюдений. Они следят за состоянием загрязнения водных экосистем под влиянием антропогенного воздействия. Поскольку такая экосистема включает в себя как саму среду (воду), так и другие компоненты (донные отложения и живые организмы — гидробионты), сведения о распределении тяжелых металлов между отдельными компонентами экосистемы имеют весьма важное значение. Надежные данные в этом случае могут быть получены при использовании современных методов аналитической химии, позволяющих определить содержание тяжелых металлов на уровне фоновых концентраций.

Как химия влияет на окружающую среду или химическое загрязнение ...

... химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, ... химическое загрязнение окружающей среды несвойственными ей веществами химической ... в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, ...

тяжелый соль металл токсический

2. Поступление токсикантов в водоемы

Загрязнения водоёмов могут возникать как в результате человеческой деятельности, так и в результате природных процессов. Дождевые и паводковые стоки могут опреснять соленые водоёмы, увеличивать мутность, сносить в водоемы с суши органические и минеральные вещества. Солнечные лучи могут высушивать водоёмы, повышать в них концентрацию солей и других веществ. Продукты жизнедеятельности некоторых водорослей являются сильными токсинами. Типичным примером может служить явление т.н. «красных приливов» или «эль ниньо» в теплых морях. Такое явление вызывается бурным развитием динофлагеллят, выделения которых губят рыб и других гидробионтов. В пресных водах токсикозы и заморы нередко возникают в результате «цветения» водоемов — сильном развитии сине-зеленых водорослей. В некоторых водоемах разложение органических остатков приводит к накоплению сероводорода и других продуктов распада. Сероводородом заражены глубины Черного и Каспийского морей, придонные воды некоторых северных фиордов, хотя в этом случае газ получается не из-за разложения органических остатков, а от деятельности автотрофных сероводородных бактерий, которые восстанавливают серу до сероводорода.

В ряде африканских озер на глубине скопились огромные количества токсических и удушливых газов. Иногда, как, например, в Камеруне время от времени газы вырываются на поверхность и вызывают гибель всего живого, как в водоеме, так и на берегах. Естественное загрязнение возникает при вулканической деятельности, работе гейзеров, фумарол, минеральных источников, грязевых вулканов. Вредные и ядовитые вещества могут образовываться в водоемах при разложении обильного листопада. В ряде регионов природные воды обладают избытком тех или иных минералов, что может оказывать существенное влияние на жизнь водоёмов. Загрязнение, ведущее к гибели «всего живого» наблюдается редко. Формы жизни очень многообразны. Есть организмы, живущие в горячих минеральных источниках — в насыщенных солями кипятке, есть организмы, для которых токсикантом является свободный кислород, а субстратом жизни — сероводород, который они превращают в молекулярную серу. В результате человеческой деятельности в водоемы может поступать много загрязнителей разной степени токсичности. Вредное действие может вызываться поступлением нетоксических веществ. Избыток удобрений может привести к изменению типа водоема, его флоры и фауны, а это не всегда желательно.

Особенно нежелательно увеличение трофности водохранилищ, снабжающих водой населенные пункты, озер, заселенных ценными сиговыми и лососевыми рыбами, водоемов, сохранение состояния которых в неприкосновенности имеет особое значение для страны — Байкал, Иссык-Куль, Ладожское озеро. Превращение «сигового» водоема в «плотвично — окуневый», «судачьего» в «карасёвый» в результате удобрения и повышения первичной продукции всегда связано с ухудшением качества воды. Вредное действие может оказывать поступление в водоем большого количества неядовитых взвесей — глины, песка, слюды, целлюлозы, окиси железа. Взвеси увеличивают мутность вода, уменьшают глубину проникновения солнечных лучей, т.е. уменьшают «фотический слой» в котором происходит фотосинтез, что ведет к понижению первичной продукции водоема и дефициту кислорода. Увеличение донных осадков может привести к нежелательной смене фауны бентоса, заиливанию нерестилищ, гибели от удушья уже отложенной икры рыб. Частым явлением стало так называемое «тепловое загрязнение» водоемов. Стоки подогретых, пусть даже незагрязненных вод, могут совершенно изменить тип водоема, сделать его незамерзающим зимой, перегревающимся в летнюю жару, вызвать буйное развитие несвойственных данному водоёму организмов, сместить сроки и места нереста рыб.

Загрязнение водоемов

... результате снижается способность вод к насыщению кислородом, парализуется деятельность бактерий, минерализующих органические вещества. Вызывает серьезное беспокойство загрязнение водоемов пестицидами и минеральными удобрениями, которые попадают с полей вместе со струями ...

Польза или вред для хозяйства таких явлений должна оцениваться в каждом конкретном случае. Изменение теплового режима водоёма происходит, если его используют в качестве водоёма-охладителя для ТЭЦ или АЭС. Такие водоёмы обычно стараются использовать для выращивания товарной рыбы в управляемом режиме. Токсичные (ядовитые) вещества попадают в водоёмы при разных видах хозяйственной деятельности. Ряд веществ используется специально для борьбы с организмами как в воде, так и на суше. Это ядохимикаты — прежде всего сельскохозяйственные: против сорняков — гербициды, против вредных насекомых — инсектициды, против грибков — фунгициды. Помимо этого используются дефолианты — вещества, используемые для ускорения опадания листвы, например хлопчатника перед сбором урожая. Некоторые из этих веществ ядовиты не только для тех организмов, для которых они предназначены, но и против других. Загрязнение водоемов может возникать при борьбе с малярийными комарами и другими кровососущими насекомыми, с грызунами, с сорной рыбой. Обычно стараются использовать нестойкие токсиканты, которые, уничтожив соответствующих вредителей, довольно быстро распадаются под действием кислорода, воды, солнечных лучей, действия микроорганизмов и др.

причин. Однако многие сельскохозяйственные ядохимикаты отличаются высокой персистентностыо, то есть долго сохраняют свою токсичность в воде, илах и даже в теле гидробионта. Сельскохозяйственные ядохимикаты используются на суше, но дождевые потоки рано или поздно сносят их в водоемы — озера, болота, реки и моря. Эти вещества обнаружены даже во льдах полярных морей. С полей в водоемы уносится значительная часть минеральных и органических удобрений — фосфатов, нитратов, солей аммония, калия, гуминовых и альбуминоидных соединений. Эти вещества мало токсичны, но они могут повышать трофность, нарушать экологическое равновесие в водоеме, стимулировать развитие одних организмов в ущерб другим. Иногда в водоёмы поступают отходы и навоз с животноводческих ферм. Загрязняют водоемы стоки промышленных предприятий — металлургических, химических и прочих. Современные предприятия оснащаются очистными сооружениями, но очистка никогда не бывает полной. Кроме того, нередки аварии очистных сооружений, аварийные сбросы неочищенных сточных вод. Токсиканты могут поступать в водоемы не только из канализационных труб, но и с дождевыми каплями. Через заводские трубы с промышленными дымами в атмосферу уходит много продуктов горения и летучих загрязнителей, которые затем выпадают в виде кислых и загрязненных осадков.

Классификация антропогенных стоков и загрязняющих веществ

Загрязнение водоемов обусловлено попаданием в них взвешенных частиц, растворенных соединений, токсичных и нетоксичных, механических загрязнений. Антропогенные стоки поступают в водоёмы со сточными водами населенных пунктов и промышленных предприятий, а также с дождевыми водами. Немалый вред приносит водоемам спуск в них сточных вод с проходящих судов. Атмосферные воды попадают в водоемы после кратковременного контакта с поверхностными слоями почвы. Из почвы вымываются не только легкорастворимые, но и труднорастворимые соединения. Количество взвешенных частиц в дождевом стоке достигает 1 г/л, а если сток идет с территории промышленных предприятий, например сланце перерабатывающего предприятия, то в нем содержится 30 мг/л летучих фенолов и до 70 мг/л нелетучих. Такой сток без предварительной очистки может принести непоправимый вред рыбохозяйственному водоёму (Голубовская, I978).

Производственные сточные воды

... загрязненных производственных сточных вод имеет место сброс нагретых вод в водоем , что является причиной так называемых тепловых загрязнений . Производственные сточные воды могут различаться по концентрации загрязняющих веществ , по степени агрессивности и т. д. Состав производственных сточных вод ...

Городские сточные воды состоят в основном из хозяйственно-бытовых и промышленных стоков. Особенностью этих стоков является высокое содержание в них микроорганизмов, могут присутствовать патогенные бактерии. В таких стоках много взвешенных частиц и коллоидных соединений. В них высокий процент содержания растворенных соединений: аминокислот, минеральных солей. Присутствие промышленных сточных вод делает состав воды очень разнообразным. Промышленные сточные воды идут от наиболее активных потребителей воды: черная металлургия, химическая, нефтеперерабатывающая промышленность, пищевая промышленность. Во многих случаях непосредственное попадание сточных вод в водоем может привести к гибели живых организмов, составляющих биоценоз. В настоящее время в промышленных сточных водах содержится около 500 000 веществ, о действии которых биологи очень мало знают и на которые надо установить нормы их содержания в водоемах.

Загрязнение водной среды солями

Большинство стоков содержит в себе неорганические соли. Особенно много солей содержится в стоках промышленных предприятий. Соли образуются в стоках главным образом за счет нейтрализации кислот и щелочей, которые в очень больших количествах применяются в промышленных процессах. Вредность солей для гидробионтов проявляется прежде всего в нарушении осмотического равновесия. Большинство простейших выводит их из своих клеток за счет откачивания сократительными вакуолями. Вода постоянно насасывается осмосом в цитоплазму, а сократительные вакуоли выводят ее во внешнюю среду. Уже изменение концентрации соли в воде на 0,3% ведет к нарушению экскреции. В то время как рыбы мало реагируют на повышение солей в воде, беспозвоночные животные, которыми они питаются, очень чувствительны к повышению содержания солей. Среди сточных вод особо большим содержанием солей отличаются воды, сбрасываемые кожевенными заводами, которые для отделки кожи применяют различные соли. В результате количество сульфатов доходит почти до 2000 мг/л, а хлоридов — почти до 8000 мг/л. Солевое загрязнение пресных водоемов может происходить не только за счет промышленных стоков, но и за счет проникновения морской воды в пресные водоемы. Подобная ситуация может сложиться в водоемах, расположенных недалеко от моря и связанных с ним протоками. Если в пресном водоеме уровень воды снизится, то морская вода может войти в водоемы и погубить часть фауны и флоры.

Нефтяное загрязнение

Загрязнение воды нефтью происходит в основном из-за халатного отношения к этому вопросу людей, ответственных за это дело. Иногда воду, после промывки нефтяных танкеров сливают в водоемы, иногда моют машины и выливают в реки даже отработанное машинное масло. Нефть попадает в воду с плавающих механизированных средств и с водного транспорта. Не нужно думать, что нефть безвредна для водоемов. Даже тончайшие слои уменьшают скорость проникновения в воду кислорода. Тонкая пленка нефти может убить нейстон и плейстон. Птицы, испачканные нефтью, обычно погибают. Загрязнение нефтью чревато еще и тем, что охватывает большие площади при незначительных попаданиях в воду. Один литр нефти покрывает поверхностной пленкой полгектара поверхности воды. Катастрофы, связанные с утечкой нефти, приносят невосполнимые потери. Для примера можно принести случай с гигантским танкером «Тори-Кэньон», из которого при аварии вылилось почти 120000 тонн нефти у побережья Корнуолла. За несколько недель нефть распространилась по пляжам Бретани и Корнуолла. Правительство Великобритании пыталось эмульгировать нефть на поверхности воды и вылило 12500 тонн детергентов. Но мероприятие окончилось только тем, что погибло 20000 кайр и 5000 гагарок. От детергентов, о них речь будет ниже, погибли морские желуди и большая часть планктона в этом районе. Ветер унес нефть в море. Аварии танкеров случаются и в настоящее время. Мировой океан сейчас уже настолько загрязнен нефтью и нефтепродуктами, что далеко в открытом Атлантическом океане участники экспедиции на папирусной лодке «Ра» под руководством Тура Хейердала, встречали постоянно сгустки нефтепродуктов.

Детергенты

За последнее время химическая промышленность выпустила целые серии поверхностно-активных веществ и в таком разнообразии, что многие пресноводные и соленые водоемы уже заполнены ими, хотя до конца еще далеко, не известно, как действуют новые моющие средства на гидробиоценозы. Выяснено точно, присутствие детергентов снижает количество растворенного кислорода в воде. Микробиологами установлено, что большие концентрации СПАВ убивают живые клетки организмов, частично растворяя жироподобные вещества — липиды, которые являются обязательным компонентом клеточных мембран. Низкие концентрации детергентов действуют подобно ядам и сходны по своему проявлению на организмы при тепловом загрязнении. Они понижают способность гидробионтов противостоять низкому содержанию кислорода в воде. Исследования американского ученого Хейса показывают, что хлопья пены, образуемые детергентами, способствуют захвату яиц гельминтов в сточных водах и их расселению на большие участки. Помимо всего детергенты разрушают поверхностную пленку натяжения воды, что влечет за собой гибель нейстона. Эпинейстон вообще тонет в воде. Если рассматривать устойчивые детергенты в воде, то они постоянно будут приносить вред водным сообществам. По этим причинам химическая промышленность пытается выпустить быстро разлагаемые бактериями моющие средства. Такие детергенты уже выпускаются, а представляют собой алкилсульфатные соединения. Однако у этих детергентов есть неприятные для водоемов свойства. Во-первых, при разложении подскакивает показатель БПК, во-вторых, образуется большое количество фосфатов, которые приводят к эфтрофикации. Выход из создавшегося положения будет найден, если промышленность создаст быстроразлагаемые бактериями детергенты с малым количеством фосфатов.

Загрязнение воды биологически активными веществами

В настоящее время усиленно развивается медицинская и биохимическая промышленность, изготавливающая биологически-активные вещества, гормоны, ферменты, витамины, лекарственные вещества, содержащие активнодействующие на микрофлору и микрофауну вещества типа антибиотиков. Действие большинства биологически-активных веществ на гидрофауну и гидрофлору не изучено, вот почему к выпуску сточных вод, содержащих биологически активные вещества (БАВ) в водоемы следует подходить с очень большой осторожностью. Иногда в воде появляются углеводороды, обладающие самыми неожиданными свойствами, они могут быть канцерогенами и не разлагаться в очистных сооружениях, либо разлагаются частично. Так американским исследователям удалось показать, что некоторые полициклические углеводороды загрязненной воды повышают восприимчивость к ультрафиолетовому облучению у инфузорий. Этот факт заставляет насторожиться и считать, что эти вещества стимулируют фоточувствительность и обладают канцерогенностью.

Радиоактивные вещества

Радиоактивные вещества оказывают вредное воздействие на организм в результате излучений, возникающих при самопроизвольном распаде ядер радиоактивных элементов. Эти излучения разрушают и изменяют химические соединения, составляющие организм (нуклеиновые кислоты, белки, жировые вещества и т.п.) и нарушают строение биологических структур (хромосом, мембран и других клеточных органелл).

Радиоактивные вещества содержатся в больших количествах в рудных телах и могут загрязнять водоемы при «урановых разработках» и переработке радиоактивного сырья. Отдельные этапы ядерного топливного горючего предусматривают потребление больших количеств воды, которая в результате использования в технологических процессах оказывается радиоактивно загрязненной. Такую воду сбрасывают в специальные водоемы, где она испаряется или фильтруется через землю. Дополнительная очистка предусмотрена только в том случае, если воду сбрасывают в реки или другие водоемы многоцелевого назначения. Неполное решение проблемы захоронения радиоактивных отходов и отсутствие безаварийной технологии на всех этапах ядерного топливного цикла, в том числе на АЭС может приводить к локальному радиоактивному загрязнению среды. Выпадающие на землю с дождем и снегом радиоактивные осадки накапливаются в водоемах озерного типа. Конечным этапом миграции радиоактивных веществ является Мировой океан. Концентрация радионуклидов в водоемах-охладителях АЭС не превышает ПДК (предельно-допустимых концентраций) и в них разрешен промышленный лов рыбы и садковое рыбоводство. В случае аварийной утечки радиоактивных веществ водоем исключается из водопользования (например, Чернобыльская авария).

На гидробионтов влияют как радионуклиды, находящиеся в воде и грунте (оказывая внешнее облучение), так и вещества, накапливающиеся в теле (внутреннее облучение).

Совершенно избежать облучений невозможно, т.к. все живое подвержено космическому излучению (около 0,1 миллирентгена в сутки), а также и облучению естественных радиоактивных веществ — прежде всего калия — 40 и полония — 210 (общая радиоактивность порядка 10-10 Кюри/л).

Общая мощность дозы этих источников достигает 10-5 рад/сут. Опытным путем установлены допустимые уровни радиоактивности и облучения (4 рад в год).

Устойчивость к радиоактивному излучению позволяет существовать естественным популяциям без существенных изменений при уровнях облучения до 1 рад/сут. ПДК радионуклидов, таких как стронций — 90 составляют 10-10 Кюри/л. Значительными источниками радиоактивного загрязнения являются взрывы ядерных устройств в атмосфере и гидросфере. Однако сейчас такие взрывы могут проводить Франция и Китай, не присоединившиеся к Московскому договору о проведении испытательных ядерных взрывов под землей. Наиболее опасны долгоживущие и медленно выводимые из организма изотопы, такие как стронций-90, накапливающиеся в костях. Распространенными загрязнителями являются изотопы иттрия, цезия, йода, кобальта, марганца, цинка.

Тяжелые металлы

Тяжелые металлы имеют атомную массу более 60 Д. В качестве токсикантов в водоемах обычно встречаются: ртуть, свинец, кадмий, олово, цинк, марганец, никель, хотя известна высокая токсичность других тяжелых металлов — кобальта, серебра, золота, урана и других.

Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Токсический эффект некоторых наиболее распространенных загрязнителей гидросферы представлен в таблице 2.

Таблица 2. Степень токсичности ряда загрязняющих веществ

Вещество	Планктон	Ракообразные	Моллюски	Рыбы
Соли тяжелых металлов
Медь	+++	+++	+++	+++
Ртуть	++++	+++	+++	+++
Свинец	—	+	+	+++
Цинк	+	++	++	++
Кадмий	—	++	++	++++
Неорганические вещества
Хлор	—	+++	++	+++
Цианид	—	+++	++	++++
Фтор	—	—	+	+++
Сульфид	—	++	+	+++

Кроме перечисленных в таблице веществ, к опасным загрязнителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания. Они обусловливают широкий диапазон рН водной среды промышленных стоков (1,0?11,0) и способны изменять рН водной среды ниже 5,0 и выше 8,0, тогда как рыба в пресной и морской воде может существовать только в интервале рН 5,0?8,5.

Высокая токсичность для живых существ — это характерное свойство соединений и ионов тяжелых металлов. В металлическом виде они нетоксичны. Тяжелые металлы поступают в водоемы в токсических концентрациях обычно со стоками горнодобывающих и металлургических предприятий, а также предприятий химической и легкой промышленности, где их соединения используют в различных технологических процессах. Например, много солей хрома сбрасывают предприятия по дублению кожи, хром и никель используются для гальванического покрытия поверхностей металлических изделий. Соединения меди, цинка, кобальта, титана используются в качестве красителей и т.д. Тяжелые металлы имеют много общего в биологическом действии и судьбе в водоемах. Как уже было сказано, они очень токсичны, хотя многие из них необходимы в микроколичествах различным организмам /медь, марганец, хром, молибден, ванадий/. Они легко образуют соединения и комплексы с органическими веществами в растворах и в организме, хорошо усваиваются организмами из воды и передаются по пищевой цепи.

3. Особенности взаимодействия токсических веществ и гидробионтов в водоемах.

Поступающие в водоемы токсиканты обычно включаются в круговорот веществ и претерпевают различные физико-химические превращения. Малостойкие, простые твердые и летучие вещества оседают на дно или улетучиваются, окисляются, связываются солями буферной системы воды или разлагаются под действием микроорганизмов и быстро подвергаются детоксикации. Они оказывают на гидробионтов прямое токсическое или косвенное воздействие, ухудшая физические свойства воды, газовый и солевой режимы водоемов.

Многие токсические вещества, особенно стойкие, могут длительно сохраняться в воде, кумулироваться в донных отложениях и гидробионтах, мигрировать по пищевой цепи, накапливаясь в возрастающих количествах от низшего к высшему звену. В этих случаях наряду с первичным важную роль играет вторичное загрязнение, которое возникает вследствие отмирания животных и растений или резорбции токсикантов из грунта. Такой способностью обладают тяжелые металлы, хлорорганические пестициды, радиоактивные изотопы и др.

При оценке токсичности химических веществ следует учитывать физико-химические свойства, характер взаимодействия их в гидросистемах между собой и с организмом гидробионтов, влияние экологических факторов.

В противоположность человеку и высшим животным в организм рыб большинство отравляющих веществ проникает осмотически — через жабры и кожу, особенно поврежденную. Оральный путь поступления имеет большое значение при хронических отравлениях. Поэтому токсичность в большой степени зависит от растворимости вещества в воде и биологических средах. Соединения, растворимые в воде, более ядовиты, чем нерастворимые. Вместе с тем через жабры, кожу и слизистую кишечника легко проникают и вещества, хорошо растворимые в липидах и тканевой жидкости. Они поступают в кровь и разносятся по всему организму. К ним относятся большинство органических загрязнителей — углеводороды, пестициды, детергенты и др.

Процесс интоксикации начинается с патогенного действия ядов в местах проникновения (жабрах, коже, слизистых оболочках), а также рефлекторной реакции со стороны нервной системы. В дальнейшем, после попадания в кровь отравляющие вещества, соединяясь с белками, нарушают физико-химические процессы в плазме и клеточных элементах. Затем они фиксируются в различных органах и тканях в соответствии с их сорбционной емкостью и биохимическим средством к отдельным ядам. Механизм действия большинства ядов тесно связан с включением их в различные звенья биохимических процессов, и прежде всего со способностью вступать в реакции с ферментами. Например, фосфорорганические пестициды блокируют фермент холинэстеразу, цианиды подавляют активность цитохромоксидазы, вызывая угнетение тканевого дыхания и т.д. Многие яды способны брать на себя функцию аналога субстрата, взаимодействующего с ферментами.

В зависимости от характера влияния на организм гидробионтов токсические вещества условно делят на яды локального (местного), резорбтивного и комбинированного действия.

локального

Резорбтивные

1. Нервно-паралитические яды вызывают нарушения функции нервной системы, проявляющиеся угнетением или возбуждением рыб, судорогами и параличами, расстройством координации плавания, потерей равновесия. К ним относятся: аммиак и соли аммония, двуокись углерода, фтор, фосфор, нефть и нефтепродукты, фенолы, хлор- и фосфорорганические пестициды, ряд гербицидов, смолы, алкалоиды, сапонины, терпены, токсины сине-зеленых водорослей и др.

2. Наркотические яды вызывают у рыб анестезию или наркоз без стадии возбуждения. Это ациклические углеводороды (этилен, пентан и др.), алкилгалогениды (хлороформ, четыреххлористый углерод, дихлор- и трихлорэтан), алкоголи, эфиры, кетоны, альдегиды и нитросоединения.

3. Протоплазматические и гемолитические яды нарушают клеточный метаболизм, вызывая дистрофию, распад эритроцитов и некробиоз клеток паренхиматозных органов. К ним относятся: цианиды, галогены, меркаптаны, тяжелые металлы, сапонины, некоторые гербициды (монурон, диурон, пропанид), токсины сине-зеленых водорослей и др.

комбинированным

В зависимости от физико-химических свойств и степени сродства с биологическими субстратами токсические вещества имеют в организме определенную локализацию, что очень важно знать для диагностики отравлений. Например, в органах, богатых жиром, депонируются жирорастворимые хлорорганические пестициды; в паренхиматозных органах и жире локализуются фосфорорганические соединения; детергенты — в жабрах, гонадах и стенке пищеварительного тракта; тяжелые металлы — в поверхностной слизи, мышцах и внутренних органах. В организме рыб они подвергаются различным химическим превращениям (окислению, восстановлению, гидролизу и синтезу) с образованием безвредных конечных продуктов (воды и углекислоты), а иногда метаболитов более токсичных, чем исходные вещества. Наиболее эффективно детоксикация проходит в печени и ретикулоэндотелиальной системе. Однако у рыб в связи с адсорбцией химических веществ жабрами и кожей они вначале минуют печеночный барьер. Отчасти этим объясняется более высокая чувствительность рыб к токсикантам по сравнению с наземными животными.

Из организма рыб токсические вещества и их метаболиты выделяются через жабры, почки, кожу, кишечник и печень. Если количество выделенного или обезвреженного яда меньше поступившего за тот же промежуток времени, создаются условия для его кумуляции.

Чувствительность к ядам у рыб сильно варьирует в зависимости от видовых, возрастных, индивидуальных особенностей и физиологического состояния их организма. Высокочувствительными к токсикантам являются лососевые (радужная и ручьевая форель, лосось), судак, окунь; слабочувствительными — карп, карась, линь, вьюн. Остальные рыбы занимают промежуточное между ними положение.

Влияние возраста рыб на течение и исход отравления неоднозначно и часто зависит от природы токсиканта. Отмечено, что к ядам неорганической природы устойчивость рыб с возрастом повышается, а к некоторым органическим соединениям понижается.

Устойчивость рыб неодинакова также на разных этапах онтогенеза. Отмечают периоды более высокой устойчивости (икра на стадии пульсирующего сердца, сеголетки) и высокочувствительные стадии (икра в период гаструляции, личинки, мальки).

Неблагоприятные условия среды, голод, скученность рыб, поражение паразитами и другие факторы снижают их устойчивость к токсикантам. Кроме того, даже незначительное загрязнение водоемов снижает резистентность рыб к возбудителям инфекционных и инвазионных болезней и является одной из косвенных причин, вызывающих гибель рыб.

Поскольку любые сточные воды имеют сложный, многокомпонентный химический состав, необходимо учитывать их комбинированное действие. Последнее проявляется в виде синергизма (усиления токсичности смеси компонентов), антагонизма (снижения токсичности смеси компонентов) и суммированного (аддитивного) действия.

Синергизм четко проявляется в комбинациях тяжелых металлов (меди и цинка, меди и кадмия, никеля и цинка, кадмия и ртути, никеля и хрома), аммиака и меди, фенола и ПХП, меди и СПАВ. Вследствие этого смеси даже субтоксических концентраций этих веществ могут оказаться смертельными.

Антагонистами являются ионы кальция по отношению к натрию, магнию и калию. Токсичность солей цинка и свинца снижается в присутствии соединений кальция, а синильной кислоты в присутствии окиси и закиси железа.

По данным Д. Алабастер и Р. Ллойд (1984), большинство токсических веществ оказывают на рыб суммированное действие. Для характеристики совместного эффекта смесей токсикантов ими предложен коэффициент аддитивности. Установлено, что степень комбинированного действия зависит от вида токсиканта, его доли в смеси, длительности воздействия, показателей состава воды (например, жесткости).

На токсичность существенно влияют также экологические факторы температура, газовый состав, жесткость, рН, скорость течения воды и инсоляция.

температурой воды

растворенного в воде кислорода,

Повышенное содержание СО ₂ в водоеме, с одной стороны, изменяет буферные свойства воды и благодаря этому снижает действующую концентрацию вещества, с другой — отрицательно влияет на физиологические функции организма, прежде всего на газообмен.

Жесткость

Взаимосвязь токсичности и рН воды наиболее четко проявляется у тех веществ, которые могут существовать в ионизированной и неионизированной формах. Так, солевой аммиак при рН 8,0 в несколько раз токсичнее, чем при рН 7,0 за счет резкого повышения концентрации неионизированных молекул (NH₃ ).

Действие сероводорода, сульфидов и цианидов усиливается по тому же принципу при сдвиге рН в кислую сторону.

скорость течения воды,

Ранее сделаны следующие замечания, Классификация сточных вод.

В зависимости от происхождения сточные воды делят на три большие группы: промышленные, коммунально-бытовые и сельскохозяйственные, а также различают поверхностный сток с водосборной площади водоемов.

По классификации Е.А. Веселова (1971) сточные воды делят на две категории: неорганические (с преобладанием неорганических компонентов) и органические (с преобладанием органических компонентов).

Каждая из этих категорий подразделяется на две группы: сточные воды без специфических токсических свойств и со специфическими ядовитыми свойствами.

Неорганические загрязнители без специфических токсических свойств включают минеральные взвеси, соли натрия, кальция и магния, неорганические кислоты и щелочи, минеральные удобрения. Их отрицательное действие заключается в отложении осадков на дне, замутнении и засолении водоемов, повышении жесткости воды, изменении рН, запаха, цвета и других свойств. Поставщиками этих вод являются рудообогатительные фабрики, содовые, азотно-туковые, машиностроительные, фарфорофаянсовые, угольные И некоторые химические предприятия.

Неорганические загрязнители со специфическими токсическими свойствами содержат в своем составе различные ядовитые вещества: аммиак и соли аммония, сероводород, сернистые соединения, тяжелые металлы и их соли, хлор, цианиды. Они поступают из предприятий черной и цветной металлургии, машиностроительной, химической, текстильной, целлюлозно-бумажной промышленности, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцово-цинковых руд, железных руд и др.

4. Диагностика солей тяжелых металлов

Тяжелые металлы имеют много общего в биологическом действии и в загрязнении водоемов. Все они очень токсичны, хотя многие из них необходимы в микроколичествах различным организмам /медь, марганец, хром, молибден, ванадий/.

Тяжёлые металлы проникают в живой организм, в основном, через воду (исключением является ртуть, пары которой очень опасны).

Попав в организм, тяжёлые металлы чаще всего не подвергаются каким-либо существенным превращениям, как это происходит с органическими токсикантами, и, включившись в биохимический цикл, они крайне медленно покидают его.

Важнейшим показателем качества среды обитания является степень чистоты поверхностных вод. Металл — токсикант, попав в водоем или реку, распределяется между компонентами этой водной экосистемы. Однако не всякое количество металла вызывает расстройство экосистемы. При оценке способности экосистемы сопротивляться внешнему токсическому воздействию принято говорить о буферной емкости экосистемы. Так, под буферной емкостью пресноводных экосистем по отношению к тяжелым металлам понимают такое количество металла-токсиканта, поступление которого существенно не нарушает естественного характера функционирования всей изучаемой экосистемы. При этом сам металл-токсикант распределяется на следующие составляющие:

1) металл в растворенной форме;

2) сорбированный и аккумулированный фитопланктоном, то есть растительными микроорганизмами;

3) удерживаемый донными отложениями в результате седиментации взвешенных органических и минеральных частиц из водной среды;

4) адсорбированный на поверхности донных отложений непосредственно из водной среды в растворимой форме;

5) находящийся в адсорбированной форме на частицах взвеси.

На формы нахождения тяжёлых металлов в водах оказывают влияние гидробионты (например, моллюски).

Так, при изучении поведения меди в поверхностных водах наблюдают сезонные колебания ее концентрации: в зимний период они максимальны, а летом вследствие активного роста биомассы снижаются. При осаждении взвешенных органических частиц, которые обладают способностью адсорбировать ионы меди, последние переходят в донные отложения, что и приводит к наблюдаемому эффекту. Следует также отметить, что интенсивность этого процесса зависит от скорости седиментации взвесей, то есть косвенно от таких факторов, как размеры и заряд адсорбирующих ионы меди частиц.

Кроме аккумулирования металлов за счет адсорбции и последующей седиментации в поверхностных водах происходят другие процессы, отражающие устойчивость экосистем к токсическому воздействию такого рода загрязнителей. Наиболее важный из них состоит в связывании ионов металлов в водной среде растворенными органическими веществами. При этом общая концентрация токсиканта в воде не меняется. Тем не менее, принято считать, что наибольшей токсичностью обладают гидратированные ионы металлов, а связанные в комплексы опасны в меньшей мере либо даже почти безвредны. Специальные исследования показали, что между общей концентрацией металла-токсиканта в природных поверхностных водах и их токсичностью нет однозначной зависимости.

В природных поверхностных водах содержится множество органических веществ, 80% которых составляют высокоокисленные полимеры типа гумусовых веществ, проникающих в воду из почв. Остальная часть органических веществ, растворимых в воде, представляет собой продукты жизнедеятельности организмов (полипептиды, полисахариды, жирные и аминокислоты) или же подобные по химическим свойствам примеси антропогенного происхождения. Все они, конечно, претерпевают различные превращения в водной среде. Но все они в то же время являются своего рода комплексообразующими реагентами, связывающими ионы металлов в комплексы и уменьшающими тем самым токсичность вод.

Различные поверхностные воды по-разному связывают ионы тяжёлых металлов, проявляя при этом различную буферную емкость. Воды южных озер, рек, водоемов, имеющих большой набор природных компонентов (гумусовые вещества, гуминовые кислоты и фульвокислоты) и их высокую концентрацию, способны к более эффективной природной детоксикации по сравнению с водами водоемов Севера и умеренной полосы. Поэтому токсичность вод, в которых оказались загрязнители, зависит и от климатических условий природной зоны. Следует отметить, что буферная емкость поверхностных вод по отношению к металлам-токсикантам определяется не только наличием растворенного органического вещества и взвесей, но и аккумулирующей способностью гидробионтов, а также кинетикой поглощения ионов металлов всеми компонентами экосистемы, включая комплексообразование с растворенными органическими веществами. Все это говорит о сложности процессов, протекающих в поверхностных водах при попадании в них металлов-загрязнителей.

Также немаловажным фактором при загрязнении воды тяжёлыми металлами является процесс аккумуляции (включая биоаккумуляцию).

Любопытным оказался случай обнаружения залежей киновари (сульфида ртути) в одном из районов Карпат. Для геологов эта находка стала неожиданностью. Оказалось, что в средние века в селениях, расположенных в горах выше по течению реки, систематически применяли препарат ртути для лечения некоторых заболеваний. Шли годы, река собирала этот металл, переносила его вниз по течению и аккумулировала в одной из природных ловушек в виде донных отложений. Дальнейшая его трансформация дала в итоге киноварь. Этот пример показывает, что в природе происходят непрерывное перемещение, миграция и накопление токсикантов антропогенного происхождения, при этом они, кроме того, подвергаются химическому превращению в более устойчивые формы.

На нахождение в водной среде той или иной формы ртути большое влияние оказывают кислотность среды и ее окислительный потенциал. Так, в хорошо аэрированных водоемах преобладают соединения Hg(II).

Ионы ртути легко связываются в прочные комплексы с различными органическими веществами, находящимися в водах и выступающими в качестве лигандов. Особенно прочные комплексы образуются с серосодержащими соединениями. Ртуть реагирует с SH-группами белковых молекул, среди которых — важнейшие для организма ферменты. Ртуть также реагирует с белковыми группами — СООН и NH ₂ с образованием прочных комплексов — металлопротеидов. А циркулирующие в крови ионы ртути, попавшие туда из легких, также образуют соединения с белковыми молекулами. Нарушение нормальной работы белков-ферментов приводит к глубоким нарушениям в организме, и прежде всего — в центральной нервной системе, а также в почках.

Кроме этого, ртуть легко адсорбируется на взвешенных частицах вод. При этом фактор концентрирования достигает порой 105, то есть на этих частицах сконцентрировано ртути в сто тысяч раз больше, чем находится в равновесии в водной среде. Десорбция ртути из донных отложений происходит медленно, поэтому повторное загрязнение поверхностных вод после того, как источник загрязнения установлен и ликвидирован, также имеет заторможенную кинетику.

Выбросы ртути в воду опасны и тем, что поскольку в результате деятельности населяющих дно микроорганизмов происходит образование растворимых в воде токсичных органических соединений ртути. Органические соединения ртути в целом намного более токсичны, чем неорганические, прежде всего из-за их липофильности и способности более эффективно взаимодействовать с элементами ферментативных систем организма. Эти чрезвычайно ядовитые производные образуются в результате так называемого биологического метилирования. Оно происходит под действием микроорганизмов, например, плесени и характерно не только для ртути, но и для мышьяка, селена, теллура. Ртуть и ее неорганические соединения, которые широко используются на многих производствах, со сточными водами попадают на дно водоемов. Обитающие там микроорганизмы превращают их в диметилртуть (CH ₃ )₂ Hg, которая относится к числу наиболее ядовитых веществ. Диметилртуть далее легко переходит в водорастворимый катион HgCH₃ ⁺ . Оба вещества поглощаются водными организмами и попадают в пищевую цепочку; сначала они накапливаются в растениях и мельчайших организмах, затем — в рыбах. Метилированная ртуть очень медленно выводится из организма — месяцами у людей и годами у рыб. Поэтому концентрация ртути вдоль биологической цепочки непрерывно увеличивается, так что в рыбах-хищниках, которые питаются другими рыбами, ртути может оказаться в тысячи раз больше, чем в воде, из которой она выловлена. Именно этим объясняется так называемая «болезнь Минамата» — по названию приморского города в Японии, в котором за несколько лет от отравления ртутью умерло 50 человек и многие родившиеся дети имели врожденные уродства. Опасность оказалась так велика, что в некоторых водоемах пришлось приостановить лов рыбы — настолько она оказалась «нашпигованной» ртутью. Страдают от поедания отравленной рыбы не только люди, но и рыбы, тюлени. При этом самый большой аккумулятор соединений ртути (до 97%) — поверхностные воды. Около половины всей ртути в природную среду попадает по техногенным причинам. В незагрязненных поверхностных водах содержание ртути колеблется в пределах 0,2-0,1 мкг/л, в морских — в три раза меньше. Водные растения также поглощают тяжёлые металлы. Органические соединения R-Hg-R’ в пресноводном планктоне содержатся в большей концентрации, чем в морском. Из организма органические соединения ртути выводятся медленнее, чем неорганические.

Водные растения хорошо аккумулируют свинец, но по-разному. Иногда фитопланктон удерживает его с коэффициентом концентрирования до 105, как и ртуть. В рыбе свинец накапливается незначительно, поэтому для человека в этом звене трофической цепи он относительно мало опасен. Метилированные соединения в рыбе в обычных условиях содержания водоемов обнаруживаются относительно редко. В регионах с промышленными выбросами накопление тетраметилсвинца в тканях рыб протекает эффективно и быстро — острое и хроническое воздействие свинца наступает при уровне загрязненности 0,1-0,5 мкг/л. В организме человека свинец может накапливаться в скелете, замещая кальций.

Тяжёлые металлы

Французские исследователи установили, что дно Атлантического океана загрязнено попадающим с суши свинцом на расстоянии до 160 км от берега и на глубине до 1610 м. Более высокая концентрация этого металла в верхнем слое донных отложений, чем в более глубоких слоях, свидетельствует о том, что это результат хозяйственной деятельности человека, а не следствие длительного природного процесса.

Владельцы химического комбината «Тиссо» в городе Минамата на острове Кюсю (Япония) долгие годы сбрасывали в океан сточные воды, насыщенные ртутью. Прибрежные воды и рыба оказались отравленными, что привело к гибели местных жителей. Получили тяжёлые психопаралитические заболевания сотни людей. Жертвы этой экологической катастрофы, объединившись в группы, не раз возбуждали дело против «Тиссо», правительства и местных властей. Минамата стал подлинной «промышленной Хиросимой» Японии, а термин «болезнь Минаматы» применяется в медицине для обозначения отравления людей промышленными отходами.