CASPIY.NET

Вестник Дагестанского научного центра РАН, 2002, № 12.

УДК 574.5/64:504.064

ТОКСИКО-ГЕНЕТИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИРОДНЫХ ВОД ДАГЕСТАНА

А.М. Бутаев, Б.П. Костров, А.Р. Исуев, С.К. Монахов, П.А.Адаева, М.А. Гуруев, Кабыш Н.Ф.

Бутаев Ахмед Магомедович – доктор технических наук, главный научный сотрудник Прикаспийского института биологических ресурсов ДНЦ РАН.

Костров Борис Павлович – кандидат биологических наук, заведующий лабораторией Дагестанского отделения Каспийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства.

Исуев Али Раджабович – доктор биологических наук, заведующий кафедрой ихтиологии Дагестанского государственного университета.

Монахов Сергей Константинович – кандидат географических наук, директор Каспийского морского научно-исследовательского центра Росгидромета, г. Астрахань.

Адаева Патимат Асадулламагомедовна – кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры экологии Дагестанского государственного университета.

Гуруев Магомед Абдулаевич – кандидат биологических наук, начальник отдела Западно-Каспийского бассейнового водохозяйственного управления.

Кабыш Наталья Фаридовна – аспирант Прикаспийского института биологических ресурсов ДНЦ РАН.

Обобщены результаты исследований по выявлению токсичности и мутагенности речных и прибрежных морских вод Дагестана с использованием различных тест-организмов. Установлено, что экологическое состояние большинства водных объектов республики характеризуется как неблагополучное.

Введение

Антропогенная нагрузка на водные объекты Российской Федерации достигла столь высокого уровня, что проблема дефицита биологически полноценной воды стала центральной среди всех экологических проблем России [1, 2]. При этом, однако, заметим, что само понятие "биологическая полноценность" воды или конкретного водного объекта до сих пор не получило однозначного определения. Мы здесь не будем вступать в терминологическую дискуссию и под этим термином будем подразумевать токсичность воды для водных организмов, обусловленная наличием в ней токсичных и/или мутагенных химических веществ, а в более широком смысле – загрязняющих веществ (ЗВ).

Для оценки биологической полноценности воды различные государственные службы мониторинга и контроля качества вод используют различные методы, которые условно можно разделить на химические и биологические. Примечательно, что достоинства и недостатки одного метода являются зеркальным отображением достоинств и недостатков другого метода.

Химический метод призван определить соответствие содержания ЗВ в природной воде нормативам качества (обычно предельно допустимым концентрациям, ПДК), установленным для конкретного вида водопользования – питьевого, рыбохозяйственного, рекреационного, ирригационного и др. Этот метод позволяет количественно оценить интенсивность антропогенного воздействия конкретного ЗВ на водный объект, но не дает реальную информацию о токсичности самого водного объекта. Последнее обусловлено тем, что: а) природные воды содержат огромное разнообразие химических компонентов, проявляющих друг к другу ингибирующее, аддитивное, синергическое, сенсибилизирующее воздействие, биологический эффект которых невозможно оценить путем идентификации отдельных компонентов; б) многие инертные химические вещества, попадая в поверхностные воды, образуют новые токсичные соединения, а сами водные организмы могут выделить токсичные продукты метаболизма; в) концепция ПДК допускает пороговое действие ЗВ, с чем в ряде случаев нельзя согласиться, например, при оценке воздействия ксенобиотиков; г) водные организмы могут получать летальные дозы токсичных веществ за счет накопления (биоаккумуляции) при исходно низкой (безопасной) концентрации их в воде; д) мониторинг за каждым химическим веществом технически нереален – сегодня контролируется не более 0,5% поступающих в водную среду загрязняющих веществ.

Биологические методы, в основе которых лежит биотестирование, регистрируют реакции водных организмов на наличие в водном объекте антропогенных ЗВ. Следовательно, биотестирование, будучи интегральной характеристикой, позволяет оперативно оценить качество воды без расшифровки загрязнителей, что многократно снижает стоимость контроля качества природных вод. Однако и биологические методы не лишены характерных недостатков, связанных с: а) трудностью учета адаптационно-приспособительных изменений тест-организмов; б) различием чувствительности разных таксонов водных организмов к ЗВ; в) фазностью и сезонностью их реагирования, вызванной стимуляцией физиологических функций под воздействием малых концентраций ЗВ и их угнетением под воздействием больших концентраций; г) различием метаболизма водных растений и животных; д) зависимостью физиологической эффективности ЗВ от условий эксперимента и природных условий; е) несовпадением результатов тестирования (даже возможной их разнонаправленности) при использовании разных тест-организмов и разных тест-реакций. Естественно, эти факторы влияют на достоверность информации (сходимость и воспроизводимость результатов) о качестве воды, и они в значительной степени препятствуют достоверному прогнозированию экологических последствий загрязнения природных вод. Но вместе с тем, перспективность контроля антропогенного загрязнения природных вод с помощью биотестов обоснована многочисленными исследованиями и в РФ с 1991 г. он стал обязательным элементом экологического мониторинга [3, 4].

1. Цели и материалы исследований

Необходимость постановки данной работы обусловлена практически полным отсутствием данных о биологической полноценности природных вод Дагестана. В ходе наших исследований проводилось биотестирование и определение генотоксичности водной среды и компонентов водных экосистем различных водных объектов Дагестана (рис. 1) но, с учетом ранее выполненных изысканий [5-7], основное внимание уделено водным объектам, подвергающимся наиболее интенсивному антропогенному воздействию. В первую очередь это относится к водотокам и водоемам устьевой области р. Терек, которые после "раскрутки" так называемых чеченских событий, подверглись беспрецедентному экологическому прессингу. Достаточно отметить, что за прошедшие семь лет (с 1994 по 2000 годы) со стороны Чеченской Республики в р. Терек поступило около 120 тысяч тонн нефтепродуктов.

Рис. 1. Карта мест отбора проб воды и донных отложений для биотестирования.

Взморья: 1 - Брянска, 2 – Авроры, 3 – Крайновки, 4 – р.Терека, 5 – р.Сулака, 6 – р.Тарнаирки, 7-10 – Махачкалы (7 – нефтяная гавань, 8 – торговый порт, 9 – городской пляж, 10 – поселок Редукторный), 11 – Каспийска, 12 – Изберга, 13 – Дербента, 14 – р.Самура. Реки:15-18 – Терек (15 – мост Бабаюрт-Кизляр, 16 – Прорезь, 17 – Аликазган, 18 – гидропостДамба), 19 – Сулак (мост Кизилюрт-Хасавюрт), 20 – Самур (Яраг-Казмаляр). Каналы и коллектора: 21 – канал К-8, 22 – канал К-6, 23 – канал Старый Терек, 24 – коллектор Кизляр-Каспий, 25 – Главный Дзержинский коллектор. Водоемы: 26 – Аракумские, 27 – Нижне-Терские, 28 – Южный Аграхан.

При оценке токсикологического состояния природных вод использовались подходы, предусматривающие одноразовые и многоразовые мониторинговые съемки. Первый подход позволяет получить представление о "пространствен­ном", второй – о "временном" распределении токсичности. Особое внимание уделялось корректности контрольного эксперимента, обеспечению тест-организмов пищей, надлежащими температурой и освещения. Контрольные опыты проводили на отстоявшейся во­допроводной (лабораторной) воде, а в отдельных случаях – на воде р.Сулак. С целью исключения влияния на результаты опытов взвешенных веществ, находящихся в природных водах, пробы предварительно отстаивали в течение суток. Вытяжки донных грунтов, в случаях особо не оговоренных в тексте, готовили путем интенсивного перемешивания 100 г влажного грунта в литре лабораторной воды с последующим отстаиванием в течение суток. Контролем для тестирования донных отложений служил грунт р.Сулак. Для градуировки чувствительности тест-организмов использовали бихромат калия. Весенние, летние и осенние съемки производили в марте-апреле, июне-июле и октябре-сентябре. Остальные условия токсикологических исследований приведены в ходе изложения экспериментального материала. Но прежде чем приступить к обсуждению опытных данных, необходимо сделать одно замечание общего характера. Токсикологическая ситуация на водных объектах Дагестана меняется столь резко и столь значительно, что в одном и том же пункте в течение нескольких дней вода может изменить свои свойства от нетоксичной до гипертоксичной и наоборот. Такая вариабельность экологического статуса обусловлена чрезвычайно высокой динамичностью внешних и внутренних факторов формирования качества природных вод Дагестана.

2. Экспериментальные данные

2.1. Биотестирование на водорослях

Водоросли составляют основу пастбищных и детритных пищевых цепей, по­этому наблюдения за альгоценозами является обязательной составляющей сис­темы экологического мониторинга поверхностных вод. На водорослях разработано большое число биотестов [8-10]. Наиболее часто в качестве тест-организмов используют зеленые водоросли Chlorella vulgaris и Scenedesmus quadricauda, а в качестве тест-реакций – отмирание клеток, нарушение скорости роста, изменение физиологических пока­зателей фотосинтеза и другие метаболические процессы. Результаты наших исследований, выполненных с использованием лабораторной культуры Scenedesmusquadricauda, приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1. Ингибирование темпа роста культуры Scenedesmus quadricauda

в воде и в вытяжках грунтов р.Терек (контроль – вода и грунты р.Сулак)

До 1993 г. вода и вытяжки донных грунтов реки Терек не ингибировали роста фитопланктона, а скорее стимулировали его. С 1994 г. наблю­далось систематическое снижение первичной продукции, а в 1999 г. в отдельных пробах имело место 100-процентная гибель фитопланктона. В 2000 году токсичность терской воды несколько снизилась – показатель валовой продукции была на 20-30% , а в вытяжках грунтов на 30-40% ниже, чем в контроле (табл. 1).

По результатам одноразовых мониторинговых съемок (табл. 2) можно заключить, что во все сезоны вода реки Терек является наиболее токсичной среди всех исследованных водных объектов Дагестана, а наименее токсичной – вода реки Сулак. Аналогичная картина наблюдается и по токсичности вытяжек донных грунтов. Превышение токсичности вытяжек грунтов водоемов над токсичностью вытяжек грунтов Терека, каналов и коллекторов, по-видимому, обусловлено увеличением перехода ЗВ из воды в донные отложения с уменьшением проточности водных объектов. Кроме того, токсичность донных грунтов в значительной степени определяется их физико-химическими свойствами и гранулометрическим составом.

Таблица 2. Ингибирование чистой продукции (% контроля) лабораторной культуры Scenedesmus quadricauda в пробах воды и вытяжек грунтов в 2000 году

Примечание: * - пробы отбирали 25.04, 3.07 и 30.09.

Достоверных различий по тест-реакции "изменение фотосинтеза" в про­бах воды, отобранных в дельте Терека, нам не удалось обнаружить, хотя наличие токсичности подтверждалось заметным повышением интенсивности фотосинтеза при раз­бавлении. В пробах же вытяжек донных отложений ка­налов, коллекторов и притерских водоемов она была ниже на 25-35% по отноше­нию к терской воде. Причем, интенсивность фотосинтеза вытяжек донных грунтов в целом превышала таковой в воде.

2.2. Биотестирование на организмах зоопланктона

Методы биотестирования на ветвистоусых ракообразных занимают ведущее положение в системе экологического мониторинга природных вод, а биотест на дафнияхDaphnia magma Strauss является наиболее стандартизованным из всех извест­ных [3, 11, 12]. При биотестировании природных вод на зоопланктоне регистрируют поведенческие реакции, па­тологические нарушения, метаболические (биохимические) показатели, физиоло­гические функции, окраску тела, скорость выедание корма и др., но наиболее чув­ствительной и надежной считается тест-реакция, в которой регистрируется про­цессы размножения - выживаемость и плодовитость.

Терская вода всегда проявляла свою природную токсичность к зоопланктону. Однако если в 1990-93 годах гибель дафний не превышала 5-10% исходного числа особей то, начиная с 1994 г., токсичность воды сильно увеличилась, достигнув своего пика в 1999 г., когда гибель дафний отмечалась в первые часы контакта, а за 24 часа опыта погибало 100% особей (табл. 3). При этом четко наблюдались отклонения в по­ведении дафний - в начале они двигались, затем их активность резко снизилась, они опустились на дно сосуда и после судорожного сокращения конечностей по­гибали. Подобная картина токсикоза называется наркотической и вызвана она ароматическими углеводородами. В пробах летней и осенней съемок 2000 года погибло 60% особей, что свидетельствует об острой токсичности терской воды.

Таблица 3. Жизнестойкость дафний (% гибели исходного числа особей) в терской воде (числитель) и в водных вытяж­ках грунтов (знаменатель)

Как видно из табл. 3, токсичность водных вытяжек грунтов также прогресси­рует с 1994 года, и, начиная с 1997 года, этот параметр жизнестойкости стабильно держится на уровне 30-50%, что позволяет говорить о стойком и хроническом за­грязнении терских грунтов.

Параметры жизнестойкости дафний в значительной степени зависят от времени отбора проб (табл. 4, 5). Из всех обследованных в 2000 году водотоков устьевой области р. Терек, наиболее токсичными для дафний оказались пробы воды, отобранные в основном русле реки. В этом отношении реакция организмов зоопланктона на токсическое воздействие водной среды оказалась сходной с реакцией фитопланктона. Но, с другой стороны, токсичное действие вытяжек грунтов Нижне-терских водоемов на зоопланктон выражено более ярко, чем на фитопланктон.

Таблица 4. Жизнестойкость дафний (% гибели исходного числа особей) в 2000 году

Как известно, результаты биотестирования зависят от чувствительности тест-организмов. Поэтому помимо D. magma, для токсикологической оценки водной среды использовали также морской циркумполярный вид коловраток Brachionus plicatilis (Muller) и планктонный вид жаброногих ракообразных Artemia salina L при экспозиции 24 ч [13]. Все использованные тест-организмы указывают (табл. 5) на высокую токсичность природных вод в устьевой области р.Терек, при этом испытанные тест-организмыхорошо коррелировали между собой, а наиболее чувствительным среди них является Artemia salina L.

Таблица 5. Разовое тестирование воды на зоопланктон, % гибели. Дата отбора проб 18.07.2000.

Примечание: Оценка токсичности произведена по Daphnia magna S. ОТД – острое токсическое действие, ХТД – хроническое токсическое действие.

Существенных различий между токсичностью водных вытяжек донных отложений сброс­ных каналов и реки Терек нам не удалось обнаружить (табл. 6); их токсичность главным образом определяется гранулометрическим составом. Данные наших исследований также указывают на значительное уменьшение токсичности грунтов при уменьшении их навески, используемой для приготовления водной вытяжки. Возможно, этим объясняется слабое токсическое воздействие на животные организмы грунтов, отобранных на устьевом взморье Терека, где речные наносы разбавляются морскими отложениями.

Таблица 6. Влияние водных вытяжек донных грунтов на выживаемость дафний D. magma, % гибели

Для оценки токсичности природных вод на водные организмы большое значение имеют результаты биотестирования с использованием в качестве тест-реакциигенеративных показателей, позволяющих проследить влияние токсического воздействия на процессы размножения особей, которое может наблюдаться и тогда, когда другие физиологические показатели остаются в норме. Результаты наших исследований этой серии опытов обобщены в табл. 7 и 8.

Терская вода без разбавления оказывает (табл. 7) угне­тающее действие на весь процесс размножения дафний: задерживает рост, наступление поло­вой зрелости и появления первого помета, уменьшает количество пометов и плодовитость, повышает выброс молоди и яиц. Лишь разведенная в отношении 1:2 терская вода не вызывала отклонений параметров размножения. При этом токсическое воздействие терской воды на плодовитость дафний проявлялось (табл. 8) в нескольких поколениях особей.

Таблица 7. Влияние разбавления терской воды на плодовитость дафний D. magma (10.10.1999)

Таблица 8. Влияние природных вод Дагестана на плодовитость дафний D. magma

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы. Вода из канала Кизляр-Каспий снижает плодовитость дафний примерно на 20%, но при ее раз­бавлении в два раза она уже не оказывает угнетающего действия на размножение особей во всех 3-х поколениях. Биоконтроль терской воды вы­явил ее токсичность уже в остром эксперименте, где гибель особей составила 25%, при этом в хроническом эксперименте погибало 40% дафний. Разведение терской воды в два раз приостановило гибель в острой экспозиции и снизило ее до 20% в хронической экспозиции, а при разведении в отношении 1:2 выживаемость дафний увеличилась до уровня контроля.Сулакская вода, за исключением осенней съемки, не оказывала токсического воздействия на выживаемость и плодовитость дафний ни в острой, ни в хронической экспозиции.Се­зонная токсичность исследованных природных вод четко не проявляется; увели­чение численности молоди в летний период и ее снижение в осенний период, скорее всего, обусловлено температурными факторами.

2.3. Генотоксичность прибрежных морских вод

Многие химические вещества, встречающиеся в природных водах, обладают способностью взаимодействовать с ДНК или с ее низкомолекулярными предшественниками и вызвать мутации. При этом одни химические вещества изначально являются мутагенами, непосредственно соединяющимися с ДНК, другие –промутагенами, которые для превращения в мутагены сначала претерпевают метаболическую активацию под действием ферментативных систем организма [14]. Эти соединения, как правило, передаются по трофическим цепям и накапливаются в опасных концентрациях в гидробионтах, употребляемых человеком в пищу. Поэтому анализгенотоксической активности экстрактов гидробионтов необходим для прогнозирования отдаленных последствий загрязнения природной воды и для оценки возможных экологических последствий.

Для оценки токсико-генетического состояния прибрежных вод Дагестана отбирали пробы воды, донных отложений, зеле­ных водорослей хетоморфа воздушнаяChaetomorpha aerea (Pillw.) Kutz и бли­дингия окаймленная Blidingia marginata J.Ag., бокоплавов Niphargoides maeoticus (Sowinsky), европейско-африканских креветокPalaemon elegans (Rathke), голанд­ского крабика Rhytropanopeus harrisi (Gould), бычка-кругляка Neogobius melanostomus (Pallas), печени русского осетра Acipenserguldestadti (Brandt). Экс­тракцию ксенобиотиков из образцов проводили гексан-ацетоновой смесью. Экс­тракты исследовали на генотоксичность в тесте Эймса сальмонелла/микросомы, который дает возможность обнаружить как прямые мутагены (-МА), так и промутагенные соединения (+МА). Их активность выявляли на штаммах Salmonellatyphimurium ТА98 и ТА100, учи­тывающих мутации типа сдвига рамки считывания и замены оснований, соответ­ственно. Результаты исследования представлены на рис. 2 и 3.

Рис. 2. Доля проб (%), проявившая мутагенный эффект в тесте Эймса на штаммах сальмонелы ТА98+ТА100, среди всех исследованных экстрак­тов проб Дагестанского побережья Каспийского моря. Точка отбора проб: 1 - устье р. Терек, 2 - нефтяная гавань г. Ма­хачкалы, 3 - р.Тарнаирка, 4 - Махачкалинский мор­ской торговый порт, 5 - Махачкалинский город­ской пляж, 6 - район ры­боконсервного комби­ната, 7 - поселок Редук­торный.

Наиболее высокое содержание мутагенов было зафиксировано в пробах воды, отобранных в акваториинефтегавани, Махачкалинского торгового порта и устья р.Тарнаирки. Присутствие мутагенов в 20-30% отобранных проб морской воды зарегистрировано также на устьевом взморье р.Терек, на городском пляже и в районе Редукторного поселка. Интересно, что минимальная активность промутагенов, как правило, наблюдалась в пробах с максимальной активностью мутагенов, и, наоборот. Так, максимальное содержание промутагенов было зафиксировано в пробах, отобранных в районе рыбоконсервного комбината, где активность мутагенов была самой низкой (рис. 2). Отсюда можно заключить, что генотоксичность прибрежных морских вод Дагестана обусловленавеществами различного происхождения и различной структуры.

Среди компонентов прибрежных морских экосистем Дагестана высокая (более 50% исследованных проб)генотоксичность была зарегистрирована в донных отложениях, бокоплавах, крабах, моллюсках, печени бычков (рис. 3).

Рис. 3. Доля проб (%), проявившая мута­генный эффект в тесте Эймса на штаммах сальмонеллы ТА98+ТА100, среды всех ис­следованных экстрактов компонентов эко­системы Дагестанского побережья Кас­пийского моря. Объекты исследований: 1 - вода, 2 - донные отложения, 3 - водоросли, 4 - бокоплавы, 5 - креветки, 6 - крабы, 7 - двустворчатые моллюски, 8 - бычки, 9 - печень бычков, 10 - мышцы бычков, 11 - икра бычков, 12 - печень осетра

Постепенное увеличение мутагенной активности в ряду "вода-водоросли-донные отложения- донные животные с подвижным образом жизни-малоподвижные и неподвижные животные" указывает на накопление мутагенов и промутагенов в детритных пищевых цепях прибрежных морских экосистем.

Заключение

Проделанная работа выявила крайне неблагополучную токсико- генетическую ситуацию, сложившуюся в природных водах Дагестана. В первую очередь это относится к устьевой области Терека и прибрежным морским водам. Высокий уровень антропогенной нагрузки на водные объекты Дагестана сам по себе представляет экологическую опасность, но еще большую опасность представляет тенденция его увеличения от года к году.

Антропогенные химические вещества, поступающие в водные объекты, по характеру воздействия на гидробионты, можно подразделить на: а) токсичные (ядовитые), оказывающие вредное и/или смертельное воздействие на живые организмы; б) канцерогенные, вызывающие развитие злокачественных новообразований; в) мутагенные, способные проникать в клетки и поражать в них молекулы ДНК; г) эвтрофирующие, вызывающие гипоксию за счет ускорения роста водорослей и высших форм растительности; д) сапробные, разлагающие органические вещества и вызывающие изменение состава, количества и структуры сообщества сапробионтов; е) осолоняющие, вызывающие изменение гидрохимического состава. Очевидно, что дальнейшие исследования необходимо ориентировать на выявления роли отдельных классов химических веществ в изменении токсико-генетического состояния природных вод Дагестана.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лосев К.С., Горшков В.Г., Кондратьев К.Я. Проблемы экологии России. М.: Федераль­ный экологический фонд РФ. 1993. 348 с.
2. Водные проблемы на рубеже веков. М.: Наука. 1999. 347 с.
3. Никоноров А.М., Хоружая Т.А., Бражникова Л.В., Жулидов А.В. Мониторинг качества вод: оценка токсичности. С.-Петербург. Гидрометеоиздат. 2000. 159 с.
4. Правила охраны поверхностных вод. Типовые положения. М.: Изд. Госкомприроды СССР. 1991. 38 с.
5. Бутаев А.М. Каспий: статус, нефть, уровень. Махачкала, 1999. 220 с.
6. Ахмедова Г.А., Гусейнова А.Д., Монахов С.К., Бутаев А.М. Некоторые особенности формирования гидрохимического режима прибрежных вод Дагестана // Вестник ДНЦ РАН. 2000, № 6. С. 101-105.
7. Бутаев А.М., Сайпулаев И.М., Тагиров К.К. Современные проблемы народнохозяйственного использования водных ресурсов реки Терек // Мелиорация и водное хозяйство, 1996, №1. С. 22-28.
8. Саут Р., Уиттик А. Основы альгологии. М.: Мир. 1990. 595 с.
9. Гапочка Л.Д. Об адаптации водорослей. М.: Изд. МГУ. 1981. 79 с.
10. Никоноров А.М., Жулидов А.В. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах. Л.: Гидрометеоиздат. 1991. 312 с.
11. Методическое руководство по биотестированию воды. РД 118-02-90. М.: Изд. Госкомприроды СССР. 1991. 47 с.
12. Качество воды. Определение угнетения подвижности Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea). ИСО 6341-82. Группа Т58. Международная организация по стандартам. М.: Изд. стандартов. 1987. 13 с.
13. Айвазова Л.Е., Гроздов А.О., Старцева А.И., Перелазов М.В. Методические рекомендации по биотестированию природных, сточных вод и отдельных загрязняющих веществ. М., 1982. 33 с.
14. Ауэрбах Ш. Проблемы мутагенеза. М.: Мир, 1978. 463 с.