2.5. Биомагнификация

Химические вещества могут перемещаться по пищевым цепям от организмов-жертв к организмам-консументам. Для высоколипофильных веществ это перемещение может сопровождаться увеличением концен­трации токсиканта в тканях каждого последующего организма – звена пищевой цепи. Этот феномен называется биомагнификацией. Так, для уничтожения комаров на одном из калифорнийских озер применили ДДТ. После обработки содержание пестицида в воде составило 0,02 части на миллион (ppm). Через некоторое время в планктоне ДДТ определялся в концентрации 10 ppm, в тканях планктоноядных рыб – 900 ppm, хищных рыб – 2700 ppm, птиц, питающихся рыбой, – 21000 ppm. То есть содержание ДДТ в тканях птиц, не подвергшихся непосредственному воздействию пестицида, было в 1000000 раз выше, чем в воде и в 20 раз выше, чем в организме рыб – первом звене пище­вой цепи.

В уже упоминавшейся ранее книге Рашель Карсон «Молчаливая весна» приводится такой пример. Для борьбы с переносчиком «гол­ландской болезни», поражающей вязы вязовым заболонником Scolytes multistriatus, деревья обрабатывали ДДТ. Часть пестицида попадала в почву, где его поглощали дождевые черви и накапливали в тканях. У перелетных дроздов, поедающих преимущественно дождевых червей, развивалось отравление пестицидом. Часть из них погибала, у других, нарушалась репродуктивная функция – они откладывали стерильные

20

яйца. В результате борьба с заболеванием деревьев привела к почти полному исчезновению перелетных дроздов в ряде регионов США.

3. Экотоксикодинамика

3.1. Общие понятия

Экотоксикодинамика – раздел экотоксикологиии, рассматриваю­щий конкретные механизмы развития и формы токсического процесса, вызванного действием экотоксикантов на биоценоз и/или отдельные виды, его составляющие.

Механизмы, посредством которых вещества могут вызывать небла­гоприятные эффекты в биогеоценозах, многочисленны и, вероятно, в каждом конкретном случае уникальны. Вместе с тем, они поддаются классификации. Так, можно выделить прямое, опосредованное и сме­шанное действие экотоксикантов.

Прямое действие – это непосредственное поражение организмов оп­ределенной популяции или нескольких популяций экотоксикантом или со­вокупностью экотоксикантов данного ксенобиотического профиля среды.

Опосредованное – это действие ксенобиотического профиля среды на биотические или абиотические элементы среды обитания популяции, в результате которого условия и ресурсы среды перестают быть опти­мальными для еѐ существования.

Многие токсиканты способны оказывать как прямое, так и опосре­дованное, т.е. смешанное действие. Примером веществ, обладающих смешанным механизмом экотоксического действия, являются, в частно­сти, гербициды 2,4,5-Т и 2,4-Д, содержащие в качестве примеси не­большое количество 2,3,7,8-тетрахлордибензо-р-диоксин (ТХДД). Ши­рокое использование этих веществ американской армией во Вьетнаме нанесло значительный ущерб растительному, животному миру страны и непосредственно здоровью людей.

3.2. Экотоксичность

По С.А. Куценко (2002), экотоксичность – это способность данного ксенобиотического профиля среды вызывать неблагоприятные эффекты в соответствующем биоценозе. В тех случаях, когда нарушение естест­венного ксенобиотического профиля связано с избыточным накоплени­ем в среде лишь одного поллютанта, можно условно говорить об эко-токсичности только этого вещества.

Неблагоприятные экотоксические эффекты, как отмечает этот же автор, целесообразно рассматривать:

– на уровне организма (аутэкотоксические) – проявляются сниже­нием резистентности к другим действующим факторам среды, пониже-

21

нием активности, заболеваниями, гибелью организма, канцерогенезом, нарушениями репродуктивных функций и т.д.;

– на уровне популяции (демэкотоксические) – проявляются гибе­лью популяции, ростом заболеваемости, смертности, уменьшением ро­ждаемости, увеличением числа врожденных дефектов развития, нару­шением демографических характеристик (соотношение возрастов, по­лов и т.д.), изменением средней продолжительности жизни, культурной деградацией;

– на уровне биогеоценоза (синэкотоксические) – проявляются из­менением популяционного спектра ценоза вплоть до исчезновения от­дельных видов и появления новых, не свойственных данному биоцено­зу, нарушением межвидовых взаимоотношений.

В случае оценки экотоксичности лишь одного вещества в отноше­нии представителей только одного вида живых существ в полной мере могут быть использованы качественные и количественные характери­стики, принятые в классической токсикологии (величины острой, подо-строй, хронической токсичности, дозы и концентрации, вызывающие мутагенный, канцерогенный и иные виды эффектов и т.д.). Однако в более сложных системах экотоксичность цифрами (количественно) не измеряется, она характеризуется целым рядом показателей качественно или полуколичественно через понятия «опасность» или «экологический риск».

В зависимости от продолжительности действия экотоксикантов на экосистему можно говорить об острой и хронической экотоксичности.

Острая экотоксичность. Острое токсическое действие веществ на биоценоз может явиться следствием аварий и катастроф, сопровож­дающихся выходом в окружающую среду большого количества относи­тельно нестойкого токсиканта или неправильного использования хими­катов.

Истории уже известны такие события. Так, в 1984 году в г. Бхопал (Индия) на заводе американской химической компании по производству пестицидов «Юнион Карбайд» произошла авария. В результате в атмо­сферу попало большое количество пульмонотропного вещества метили-зоцианата. Будучи летучей жидкостью, вещество образовало нестойкий очаг заражения. Однако отравлению подверглись около 200 тыс. чело­век, из них 3 тысячи – погибли. Основная причина смерти – остро раз­вившийся отек легких.

Другой известный случай острой токсикоэкологической катастро­фы имел место в Ираке. Правительством этого государства была закуп­лена большая партия зерна в качестве посевного материала. Посевное зерно с целью борьбы с вредителями подвергалось обработке фунгици­дом (метилртутью). Однако эта партия зерна случайно попала в прода­жу и была использована для выпечки хлеба. В результате этой экологи-

22

ческой катастрофы отравление получили более 6,5 тыс. человек, из ко­торых около 500 погибли.

В 2000 году в Румынии на одном из предприятий по добыче драго­ценных металлов в результате аварии произошла утечка синильной ки­слоты и цианид-содержащих продуктов. Токсиканты в огромном коли­честве поступили в воды Дуная, отравив все живое на протяжении сотен километров вниз по течению реки.

Величайшим экологическим бедствием является использование высокотоксичных химических веществ в военных целях. В годы первой мировой войны воюющими странами было использовано на полях сра­жений около 120 тыс. тонн отравляющих веществ. В результате отрав­ление получили более 1,3 млн человек, это можно рассматривать как одну из крупнейших в истории человечества экологических катастроф.

Острое экотоксическое действие не всегда приводит к гибели или острым заболеваниям людей или представителей других биологических видов, подвергшихся воздействию. Так, среди отравляющих веществ, применявшихся в первую мировую войну, был и сернистый иприт. Это вещество, являясь канцерогеном, стало причиной поздней гибели пора­женных от новообразований.

Хроническая экотоксичность. Хроническое поражение возникает при длительном воздействии небольших концентраций. С хронической токсичностью веществ, как правило, ассоциируются сублетальные эф­фекты. Часто при этом подразумевают нарушение репродуктивных функций, иммунные сдвиги, эндокринную патологию, пороки развития, аллергизацию и т.д. Однако хроническое воздействие токсиканта может приводить и к смертельным исходам среди особей отдельных видов.

Эффект долговременного воздействия диоксида серы может быть очень заметен. Исследования растительности в районе металлургиче­ских печей в Онтарио (Канада) показали, что на расстоянии 16 км от них произрастало в нормальном состоянии 25 видов растений, а по мере приближения к печам их количество уменьшалось. На расстоянии бли­же 1,6 км не произрастало ни одного растения.

Механизмы экотоксичности. В современной литературе приво­дятся многочисленные примеры механизмов действия химических ве­ществ на живую природу, позволяющие оценить их сложность и неожи­данность:

1. Прямое действие токсикантов, приводящее к массовой гибе­ли представителей чувствительных видов. Применение эффективных пестицидов приводит к массовой гибели вредителей: насекомых (инсек­тициды) или сорняков (гербициды). На этом экотоксическом эффекте строится стратегия использования химикатов. Однако в ряде случаев отмечаются сопутствующие негативные явления. Так, в Швеции в 1950– 60 гг. для обработки семян зерновых культур широко использовали ме-

23

тилртутьдицианамид. Концентрация ртути в зерне составляла более 10 мг/кг. Периодическое склевывание протравленного семенного зерна птицами привело к тому, что через несколько лет была отмечена массо­вая гибель фазанов, голубей, куропаток и других зерноядных пернатых от хронической интоксикации ртутью.

При оценке экологической обстановки необходимо иметь в виду основной закон токсикологии: чувствительность различных видов жи­вых организмов к химическим веществам всегда различна. Поэтому появление поллютанта в окружающей среде даже в малых количествах может быть пагубным для представителей наиболее чувствительного вида. Так, хлорид свинца убивает дафний в течение суток при содержа­нии его в воде в концентрации около 0,01 мг/л, малоопасной для пред­ставителей других видов.

2. Прямое действие ксенобиотика, приводящее к развитию ал- лобиотических состояний и специальных форм токсического про­ цесса. В конце 1980-х годов в результате вирусных инфекций в Балтий­ ском, Северном и Ирландском морях погибло около 18 тысяч тюленей. В тканях погибших животных находили высокое содержание полихло- рированных бифенилов (ПХБ). Известно, что ПХБ, как и другие хлор- содержащие соединения, такие как ДДТ, гексахлорбензол, диелдрин, обладают иммуносупрессивным действием на млекопитающих. Их на­ копление в организме и привело к снижению резистентности тюленей к инфекции. Таким образом, непосредственно не вызывая гибели живот­ ных, поллютант существенно повышал их чувствительность к действию других неблагоприятных экологических факторов.

Классическим примером данной формы экотоксического действия является увеличение числа новообразований, снижение репродуктивных возможностей в популяциях людей, проживающих в регионах, загряз­ненных экотоксикантами (территории Южного Вьетнама – диоксин).

3. Эмбриотоксическое действие экополлютантов. Хорошо уста­ новлено, что ДДТ, накапливаясь в тканях птиц, таких как кряква, скопа, белоголовый орлан и др., приводит к истончению скорлупы яиц. В ито­ ге птенцы не могут быть высижены и погибают. Это сопровождается снижением численности популяции птиц.

Примеры токсического действия различных ксенобиотиков (в том числе лекарственных препаратов) на эмбрионы человека и млекопи­тающих широко известны.

4. Прямое действие продукта биотрансформации поллютанта с необычным эффектом. Полевые наблюдения за живородящими рыба­ ми (карпозубые) в штате Флорида позволили выявить популяции с большим количеством самок с явными признаками маскулинизации (своеобразное поведение, модификация анального плавника и т.д.). Эти популяции были обнаружены в реке ниже стока завода по переработке

24

орехов. Первоначально предположили, что стоки содержат маскулини­зирующие вещества. Однако исследования показали, что такие вещества в выбросах отсутствуют: сточная вода не вызывала маскулинизацию. Далее было установлено, что в сточных водах содержался фитостерон, (образуется в процессе переработки сырья), который, попав в воду реки, подвергался воздействию обитающих здесь бактерий и превращался при их участии в андроген. Последний и вызывал неблагоприятный эф­фект.

Таким образом, взаимодействие ксенобиотика с биотическим ком­понентом среды (микроорганизмы) может стать причиной существен­ных популяционных эффектов в биоценозе.

5. Опосредованное действие путем сокращения пищевых ресур­сов среды обитания. Для борьбы с вредителями лесного хозяйства, гусеницами елового листовертки-почкоеда, в одном из регионов Канады применили фосфорорганический пестицид, быстро деградирующий в среде. В результате резкого снижения числа гусениц от бескормицы погибло около 12 млн птиц.

6. Взрыв численности популяции вследствие уничтожения ви­да-конкурента. В США после начала применения синтетических пес­тицидов для борьбы с некоторыми видами вредителей растений стали интенсивно размножаться малочисленные ранее виды клещей-хлопкоедов. Количество опасных видов таких клещей увеличилось с 6 до 16. Это явление объясняют тем, что в мире насекомых существует сложная система взаимоотношений, и количество особей в популяции растительноядных насекомых зачастую контролируется другими вида­ми, которые либо паразитируют на этих насекомых, либо ведут себя по отношению к ним как хищники. Воздействие пестицидов может ока­заться более выраженным на представителей видов-хищников. В итоге – гибель врагов приводит к взрыву численности растительноядных насе­комых.

Нетрудно заметить, что приведенные в качестве примеров меха­низмы экотоксического действия веществ на животных при иных усло­виях вполне могут реализоваться и в отношении человека.