Остроумов С. Качество воды: новые критерии

  

КАЧЕСТВО ВОДЫ: НОВЫЕ КРИТЕРИИ
 
Доктор биологических наук Сергей ОСТРОУМОВ, биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова
 
 
В функционировании водных экосистем участвуют многие физические, химические и биотические процессы. До определенного порога естественные природные механизмы самоочищения воды успешно освобождают ее от разных загрязнений. Но антропогенное давление на окружающую среду в последние десятилетия настолько усилилось, что механизмы эти дают сбой и даже ломаются. Наши многолетние исследования показывают: ныне существующие приоритеты по сохранению качества воды и обеспечения экологической безопасности источников водоснабжения уже недостаточны и требуют дополнения и пересмотра.
 
 
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ
Многие физические и химические процессы самоочищения воды регулируются биологическими факторами или существенно зависят от них. Например, масштабы сорбции загрязняющих веществ на оседающих частицах взвесей зависят от концентрации клеток фитопланктона. Фотохимические процессы — от прозрачности воды, а сама прозрачность — от фильтрационной активности гидробионтов. Свободнорадикальные процессы разрушения поллютантов (веществ антропогенного происхождения, загрязняющих среду обитания живых существ) зависят от связывания ионов металлов с растворенными в воде лигандами, представляющими собой органические  молекулы биологического происхождения. Таким образом, биотические (биологические) факторы находятся в центре всей системы самоочищения воды. Очень важные из них — окисление органического вещества и фильтрация воды гидробионтами — детально охарактеризованы исследователями.
 
 
Планктонная коловратка.  Губки.  Асцидии (халоцинтия пурпурная)
 

Окисление органического вещества осуществляют многие гидробионты. Особая роль принадлежит бактериям. Представители практически всех их основных групп вовлечены в эти процессы. Считается, что на долю бактерий в общей гетеротрофной деструкции (т.е. в биологическом окислении органических веществ) в океане приходится около 60—70%. В самоочищении водных экосистем важна роль и эукариотных микроорганизмов (т.е. одноклеточных с более высоким, чем у бактерий, уровнем организации клеток — дипломонад, амебофлагеллят, инфузорий, разножгутиковых и др. Эти одноклеточные планктонные организмы оказывают существенное положительное влияние на стабильность экосистемы также и тем, что выполняют функцию консументов (*Консументы — организмы, потребляющие готовые органические вещества (прим. ред.)) по отношению к бактериям. При этом они омолаживают сообщество бактерий и стимулируют разрушение бактериями органики.

Изучение фильтрационной активности некоторых групп гидробионтов (таких водных организмов, как асцидии, усоногие раки, мшанки, иглокожие, двустворчатые моллюски, гастроподы, полихеты, губки) показало, что скорость фильтрации ими воды обычно составляла от 1 до 8,8 л в час в расчете на 1 г обеззоленной сухой массы тела этих беспозвоночных. В результате более детального анализа выяснилось: суммарная фильтрация воды популяциями макробеспозвоночных животных (таких относительно крупных организмов, как моллюски, асцидии, полихеты) оценивается величинами 1—10 м3 над 1 м2 дна водной экосистемы за 1 день. Приведем несколько конкретных примеров. В Учинском водохранилище (часть системы водоснабжения Москвы) моллюски фильтруют не менее двух объемов всей воды за год. В Волгоградском водохранилище — 840 млрд т воды в год, т.е. весь объем фильтруется 24 раза. А в озере Байкал весь объем прибрежных вод очищается губками-фильтраторами за 1 -2 дня. Цифры показательные, по ним можно представить грандиозные масштабы работы природной «прачечной».
 

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ САМООЧИЩЕНИЯ
Наш анализ экосистем привел к выделению трех основных структурно-функциональных блоков, в совокупности охватывающих значительную часть общего гидробиологического механизма самоочищения водных экосистем. Первый блок фильтрационной активности включает в себя несколько групп организмов, а именно: беспозвоночных гидробионтов-фильтраторов; группу прибрежных растений (макрофитов), задерживающих часть биогенов и загрязняющих веществ, поступающих в экосистему с прилегающей территории; группу донных организмов; бентос (организмы, обитающие на дне водоемов), поглощающий часть биогенов (азот, фосфор), и поллютантов, мигрирующих на границе раздела вода / донные осадки; группу микроорганизмов, которые прикрепляются к взвешенным в воде мелким частичкам и извлекают из воды растворенные органические вещества и биогены. Второй блок — механизмы переноса, перекачивания химических веществ из одного отсека, или отдела, экосистемы (компартмента) в другой (из одной среды в другую), иными словами, «насосы» в составе механизмов самоочищения. В этом блоке одни процессы способствуют перемещению части загрязняющих веществ (поллютантов) из водной толщи в донные осадки, другие — перемещению части загрязнителей из водной толщи в атмосферу путем испарения. Наконец, третий блок, отвечающий за расщепление молекул поллютантов, — это своего рода «мельницы», перемалывающие загрязняющие вещества.

Каковы же источники энергообеспечения биотических механизмов самоочищения водных экосистем? В числе важнейших источников — фотосинтез, окисление автохтонной (т.е. произведенной внутри экосистемы) и аллохтонной (т.е. импортированной в экосистему извне) органики, а также другие окислительно-восстановительные реакции. Интересно отметить, что часть энергообеспечения идет за счет окисления тех самых компонентов (растворенное и взвешенное органическое вещество), от которых система избавляется. Иными словами, природа использует своего рода энергосберегающие «технологии».
По традиции самоочищение связывается преимущественно с окислением органических веществ аэробными (потребляющими кислород) организмами. Но не менее важны анаэробные (без участия кислорода) процессы, энергетика которых обеспечивается передачей электронов на молекулы-акцепторы, отличные от кислорода. Анаэробная энергетика движет метаболизм (обмен веществ) микроорганизмов разных сообществ: метаногенного сообщества (органическое вещество, разрушаясь, «рождает» метан), сульфидогенного сообщества (разрушение органики приводит к появлению сероводорода, водорода и метана), аноксигенного фототрофного (фотосинтезирующего) сообщества (образуются анион SO4, перекись водорода, водород и метан). Интересно, что продукты, производимые организмами этих сообществ, дальше используются как субстраты окисления уже в других сообществах — в том числе организмами группировки, получившей название «бактериальный окислительный фильтр». Последний функционирует уже в аэробных условиях и окисляет водород (водородные бактерии), метан (метанотрофы), сероводород (серобактерии) и др.
 
Свидетельства высокой активности микробиальных сообществ донных осадков, продуцирующих и использующих газы, получены при изучении геохимии осадочных толщ Мирового океана. Таким образом, эти блоки системы самоочищения действуют по принципу безотходной технологии.

Какие же таксоны (систематические группы организмов) участвуют в самоочищении водных экосистем? В числе основных — микроорганизмы, таксоны фитопланктона, высшие растения, беспозвоночные животные, рыбы и другие группы организмов. Все эти группы важны и каждая из них вовлечена в один, два процесса и более.

Такой важный для самоочищения воды процесс, как фильтрация, осуществляется представителями многих таксонов. Например, в составе морского планктона функцию тонких фильтраторов-нанофагов выполняют такие беспозвоночные, как аппендикулярии (Appendicularia), долиолиды (Doliolidae), мелкие каля-ноиды (Calanoida), меропланктон (личинки) и другие животные; функцию грубых фильтраторов-эврифа-гов, т.е. поедающих все подряд, без разбора, — ойтоны (Oithona), онцеи (Oncaea) и др.

Количественные параметры, характеризующие роль конкретных процессов, изменяются от экосистемы к экосистеме. Вот, например, как выглядит вклад различных групп организмов в удаление углерода из экосистемы в процессе дыхания (в процентах от суммарного дыхания) сообщества центральной части Охотского моря в период летнего минимума фитопланктона: макрофиты (крупные водные растения) — 0,3%, фитопланктон — 8,9, бактерии — 55,6, микрозоопланктон — 7,7, мирный зоопланктон — 12,2, хищный зоопланктон — 4,45, зообентос — 8,3, рыбы — 2,5, млекопитающие и птицы — 0,05%. В других регионах эти показатели могут быть иными. Так, на простейших обычно приходится от 5 до 30% суммарной продукции и суммарного дыхания гетеротрофного (т.е. нефотосинтезирующего) планктона пресных и морских вод, включая бактерии.

Итак, для полноценного функционирования механизма самоочищения практически все группы организмов (относящиеся и к прокариотам, и к эукариотам) полезны, что подтверждает обобщение академика Владимира Вернадского: практически никакой вид организмов не может длительное время существовать без сообщества.
 

МЕХАНИЗМЫ «РЕПАРАЦИИ»
Каким же образом обеспечивается надежность системы самоочищения воды? Как известно, в сложной технике для бесперебойной работы конструкторы дублируют многие ее компоненты. Аналогичный принцип выявляется при анализе функционирования водных экосистем. Например, фильтрационная активность гидробионтов (водных организмов) продублирована таким образом, что ее осуществляют две большие группы организмов — планктон (обитает в толще воды) и бентос (обитает на грунте и в грунте дна водоемов). Обе группы фильтруют воду со значительной скоростью. Кроме того, бентос дополнительно дублирует деятельность постоянно пребывающих в пелагиали (зоне моря или океана, не находящейся в непосредственной близости от дна) планктонных организмов благодаря тому, что личинки многих бентосных фильтраторов ведут планктонный образ жизни. В составе планктона имеются две большие группы многоклеточных беспозвоночных фильтраторов — ракообразные и  коловратки, дублирующие друг друга. Но природа в этом случае предусмотрела еще одного, дополнительного дублера: в этой роли выступает большая группа организмов (простейшие) с несколько иным, чем у коловраток и ракообразных, типом питания.

Процессы ферментативного разрушения поллютантов частично дублируют бактерии и грибы. Функцию окисления растворенной органики дублируют почти все гидробионты, в той или иной степени способные к поглощению и окислению растворенного органического вещества.

Необходимо отметить, что условием стабильности экосистемы является ее саморегуляция через взаимодействие относительно независимых структурных компонентов. Поэтому есть основания считать, что именно саморегуляция биоты — один из важных элементов надежности механизма самоочищения.
 
Практически все задействованные в этих процессах организмы находятся под двойным контролем организмов предыдущего и последующего трофического звена пищевой цепи. Значительную роль играют и различные формы сигнализации, в том числе химические вещества — носители информации или регуляторных сигналов. Автором данной статьи было предложено называть такие вещества экологическими  хеморегуляторами и экологическими хемомедиаторами.

Из изложенного следует, что для обеспечения надежности и стабильности системы самоочищения воды в экосистеме важны два фактора: множественность процессов, ее слагающих и реализующихся в какой-то мере параллельно, и еще — развитая система регуляции и саморегуляции биоты. Кроме того, само по себе очищение воды и постоянное возобновление ее качества, в свою очередь, служат важнейшим элементом самоподдержания стабильности всей водной экосистемы. Благодаря этому происходит постоянное восстановление нормального состояния местообитаний растительных и животных видов. Необходимо иметь в виду, что в воду поступает не только органика. Например, по оценкам, выпадение из воздуха фосфора на единицу поверхности водоемов за год может достигать заметных величин. Поэтому самоочищение воды для экосистемы такая же важная функция, как репарация ДНК (текущий ремонт ферментами клетки молекул генетического материала) для систем наследственности.
 

НЕБЕЗОБИДНАЯ ХИМИЯ
Однако следует подчеркнуть: запасы надежности механизмов самоочищения воды не беспредельны. Наши эксперименты выявили важный элемент лабильности (неустойчивости) одного из них — фильтрации воды беспозвоночными гидробионтами (моллюсками, коловратками). Опыты доказали, что эти процессы ингибировались (подавлялись) при воздействии сублетальных концентраций таких антропогенных поллютантов, как поверхностно-активные вещества (ПАВ), — они содержатся во многих моющих средствах. К примеру, мы выявили уменьшение фильтрации воды устрицами Crassostrea gigas при воздействии катионного ПАВ тетрадецилтриметиламмонийбромида (ТДТМА) при концентрациях 0,5 мг/л и выше и анионного ПАВ додецилсульфата натрия в таких же концентрациях. В другой работе мы показали, что неионогенный ПАВ Тритон Х-100 (также в концентрациях 0,5 мг/л и выше) снижал фильтрационную активность мидий Mytilus edulis. Отметим, что именно анионные и неионогенные ПАВ входят в состав наиболее часто применяемых препаратов бытовой химии — стиральных порошков, жидких моющих средств, шампуней.

Было установлено, что ПАВ и ПАВ-содержащие смесевые препараты могут ингибировать активность не только фильтраторов, но и беспозвоночных с иным типом питания. Так, существенную роль в экосистемах выполняют легочные моллюски — прудовики (Lymnaea stagnalis), которые питаются водными растениями и выделяют значительное количество неусвоенного органического материала. Он быстро оседает на дно, что ускоряет перенос органики из верхних слоев воды в донные осадки. Оказалось, что при воздействии ТДТМА (2 мг/л) трофическая активность (скорость питания) моллюсков ингибировалась на 27,9—70,9%. Отмечено угнетающее действие на них и других поллютантов, в числе которых не только стиральные порошки, шампуни, жидкости для мытья посуды, но и ядохимикаты, компоненты нефти, тяжелые металлы.
Эти и другие многочисленные данные свидетельствуют об опасности снижения эффективности системы самоочищения воды в условиях химического загрязнения водоемов и водотоков.

Наши работы показали, что существующие приоритеты в сохранении качества воды и обеспечении экологической безопасности источников водоснабжения недостаточны, они уже неадекватны складывающейся ситуации, поэтому их нужно подвергнуть пересмотру и дополнить. В чем же недостаток сегодняшних подходов?
 

НЕДОСТАТОЧНОСТЬ НЫНЕШНИХ ПРИОРИТЕТОВ
Основная декларируемая ныне цель — недопущение сброса в воду загрязняющих веществ выше допустимого уровня, регламентированного списком предельно допустимых концентраций (ПДК). Определяются они по методикам, выработанным ранее и утвержденным законодательно (в том числе, например, в странах Евросоюза). Если сбросов сверх допустимого уровня нет, цель достигнута, с качеством воды, как предполагается, все будет в порядке. В действительности эти приоритеты создают ложную самоуспокоенность. Попытаемся объяснить почему.

В основе нынешних критериев опасности — триада оценок: токсичность загрязняющего вещества (тяжелый металл, ядохимикат и т.д.) для планктонных водорослей, дафний, рыб; способность к биоаккумуляции (накоплению загрязняющих веществ в организме обитателей воды); способность к биоразложению.
В чем же мы усматриваем неадекватность этих целей? Во-первых, токсичность оценивается по смертности, гибели трех групп организмов (упомянутых выше водорослей, дафний, рыб). Недооценивается угроза сублетальных воздействий (когда нет гибели). Недооценивается или игнорируется отрицательное влияние на другие организмы, не относящиеся к этим трем группам.

Второе возражение касается биоаккумуляции. Утверждается: если химическое вещество не накапливается в организме (скажем, животного), то оно практически неопасно или сравнительно малоопасно. Но при этом недооценивается опасность воздействия вещества на рецепторы клеток. Оно возможно без накопления внутри организма.

И в-третьих, тезис о способности или неспособности загрязняющего воду вещества к биоразложению. Предполагается, что в случае способности вещества к быстрому разложению оно неопасно. Но посмотрим,
как эксперты определяют саму способность. Опыты производятся в лабораторных условиях в колбах с микроорганизмами на так называемых качалках, чтобы клетки бактерий получали больше кислорода из воды. На практике биоразложение проявляется в реакции окисления загрязняющего вещества кислородом внутри клеток бактерий. При быстром окислении (быстрое — это, казалось бы, хорошо) происходит столь же стремительное потребление кислорода из воды и ускоренное снижение концентрации оставшегося в воде 02 (что уже плохо). Это негативно отражается на всех остальных организмах, живущих в воде. Некоторые водные бактерии переходят в таких условиях к образованию сероводорода. Быстрое разложение вещества-загрязнителя ведет к протуханию воды. То есть в конечном итоге оказывается, что вся триада оценок неадекватна.

Качество воды зависит не только от поступления в водоем внешних загрязняющих веществ, но и от внутренней причины — от эффективности самоочищения. Выше уже говорилось, что многие антропогенные загрязнители, отрицательно влияя на способность организмов фильтровать воду, вызывают снижение ее качества. По традиционным критериям поверхностно-активные вещества в малых концентрациях допустимы в воде, поскольку не убивают тест-организмы. Наши опыты показывают, что экологическая опасность при этом остается.
 

НОВЫЕ КРИТЕРИИ ОПАСНОСТИ
Какие же меры необходимо предпринять для реального обеспечения чистоты водных ресурсов? На наш взгляд, оценивать опасность тех или иных веществ необходимо не только на трех основных тест-объектах (рыбы, дафнии, водоросли), но и на донных ор-ганизмах-фильтраторах (моллюски). Регистрировать не только смертность тест-организмов, но и снижение активности организмов по фильтрации воды. Что касается критериев оценки состояния экосистемы водоема, то ими должны служить не только концентрации загрязняющих веществ, но и еще один важный фактор, а именно: наличие, степень активности тех биологических организмов, которые ведут очищение воды. Только при сохранении всех этих водных организмов вода в водоеме может быть чистой.

Современные приоритеты в охране водных ресурсов можно сравнить с попытками лечения ВИЧ-больного от воспаления легких, не обращая внимания на его иммунную систему. Ясно, что оно обречено на неудачу. Это мы и видим — качество воды везде ухудшается, несмотря на усилия по ограничению сброса загрязняющих веществ. Одних этих усилий недостаточно. Если мы хотим сохранить чистоту воды, мы должны позаботиться о сохранении обитающих в ней организмов.
 
 
"Наука в России" . - 2014 . - № 5 . - С. 37-43.